Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện của nhà máy nhiệt điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.82 MB, 98 trang )
NGUYỄN HOÀNG NAM
..
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------
NGUYỄN HOÀNG NAM
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
GIÁM SÁT CHO TRẠM PHÁT ĐIỆN CỦA
NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
KHÓA 2014B
Hà Nội – Năm 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------
NGUYỄN HOÀNG NAM
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
GIÁM SÁT CHO TRẠM PHÁT ĐIỆN CỦA
NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN LUẬN VĂN
TS. PHẠM QUANG ĐĂNG
Hà Nội – Năm 2017
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin được gửi lời cám ơn trân trọng và sâu sắc nhất đến thầy TS. Phạm
Quang Đăng người đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tơi trong q trình thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cám ơn quý Thầy - Cô trong Khoa Kỹ thuật điều khiển và tự
động hóa Trường Đại Học Bách Khoa Hà nội đã truyền đạt kiến thức cũng như
định hướng nghiên cứu cho tơi trong q trình học tập tại trường.
Tơi xin cám ơn Viện tự động hóa đã hỗ trợ khơng gian làm việc , cung cấp tài
liệu nghiên cứu cho tơi trong q trình nghiên cứu luận văn.
Hà nội, ngày 25 tháng 10 năm 2017
Học viên
NGUYỄN HOÀNG NAM
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả những lý thuyết trình bầy trong quyển luận văn này được
viết theo sự tư duy cá nhân chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Hà nội, ngày 25 tháng 10 năm 2017
Học viên
NGUYỄN HOÀNG NAM
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... 8
PHẦN MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 9
1.1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................9
1.2. Mục tiêu của luận văn ..........................................................................................9
1.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................9
1.4. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................10
1.5. Nội dung luận văn ..............................................................................................11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG
NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ....................................................................................... 12
1.1. Tổng quan về hệ thống SCADA ........................................................................12
1.1.1. Khái niệm về hệ thống SCADA .............................................................12
1.1.2. Giao diện người - máy (HMI) ................................................................13
1.1.3. MTU (Master Terminal Unit).................................................................13
1.1.4. RTU (Remote Terminal Unit) ................................................................13
1.1.5. Programmable Logic Controllers ...........................................................14
1.2. Sự hoạt động của hệ thống SCADA ..................................................................14
1.2.1. Cơ chế thu thập dữ liệu...........................................................................14
1.2.2. Xử lí dữ liệu............................................................................................15
1.3. Các yêu cầu của hệ thống SCADA ....................................................................15
1.3.1. Chức năng giám sát ................................................................................16
1.3.2. Chức năng điều khiển .............................................................................16
1.3.3. Cài đặt thông số từ xa .............................................................................16
1
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
1.3.4. Quản lý và lưu trữ dữ liệu ......................................................................16
1.3.5. Tính năng thời gian thực ........................................................................16
CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG SCADA CHO TRẠM ĐIỆN 220kV
NHIỆT ĐIỆN NGHI SƠN I ..................................................................................... 18
2.1. Giới thiệu về hệ thống điện Nhà máy ................................................................18
2.3. Các thiết bị sử dụng trong trạm ..........................................................................19
2.4. Phân tích các tín hiệu .........................................................................................20
2.4.1. Tín hiệu từ thiết bị trạm, từ bảo vệ IEC tới RTU đến NRDC/ NRDC và
DCS. ..................................................................................................................20
2.4.2. Các tín hiệu gửi từ NLDC/NRLDC và từ DCS đến trạm 220 kV..........20
2.5. Lựa chọn phương án liên kết các phân tử trong hệ thống SCADA trạm theo
tiêu chuẩn IEC 61850 ............................................................................................22
2.5.2. Cấu trúc mạch vòng đơn.........................................................................22
2.5.3. Cấu trúc mạch thẳng ...............................................................................22
2.5.4. Cấu trúc hình sao ....................................................................................23
2.5.5. Lựa chọn cấu trúc mạng thích hợp .........................................................23
2.6. Các chức năng chính của trạm phát điện Nghi Sơn I .........................................27
2.6.1. Giám sát ..................................................................................................27
2.6.2. Điều khiển ..............................................................................................28
2.6.3. Bảo trì hệ thống ......................................................................................28
2.6.4. Mơ hình hệ thống áp dụng cho các trạm biến áp. ..................................28
2.7. Lựa chọn các phần tử truyền thông ....................................................................30
2.7.1. Lựa chọn các thiết bị phần cứng phục vụ trong SCADA trạm ..............30
2.7.2. Đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị .........................................................31
2.7.3. Sự làm việc của SCS ..............................................................................32
2
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU VỀ TIÊU CHUẨN IEC 61850 ................................. 33
3.1.Giới thiệu về tiều chuẩn IEC61850 .....................................................................33
3.1.2. Phần tử dữ liệu trong Logical nodes.......................................................41
3.1.3. Về lớp dữ liệu chung và giới hạn chức năng của datra attributes ..........41
3.1.4. Giới hạn chức năng (Functionconstraint) ...............................................43
3.2. Cấu trúc mạng truyền thông của hệ thống tự động trạm phát điện ....................45
3.3. Phân tích chức năng trao đổi thơng tin trong trạm .............................................46
3.4. Ứng dụng mơ hình hóa bằng nút logic được định nghĩa trong IEC 61850-7-4 .48
3.5. Phân tích các thành phần của dữ liệu .................................................................50
3.6. Các dịch vụ trao đổi thơng tin. ...........................................................................51
3.7. Phân tích mơ hình theo hướng tiếp cận ..............................................................52
3.7.1. Phân tích chức năng ứng dụng và trao đổi thông tin. .............................52
3.7.2 Từng bước tạo ra mô hình thơng tin ........................................................54
3.7.3. Quan sát theo hướng trao đổi thông tin. .................................................54
3.7.5. Điểm liên kết trao đổi thông tin giữa thiết bị vật lý và mơ hình ứng
dụng. ..................................................................................................................57
3.8. Giới thiệu về mơ hình dịch vụ ............................................................................58
3.8.1. Tổng quan về ACSI. ...............................................................................58
3.8.2. Tổng quan mơ hình thơng tin cơ bản. ....................................................59
3.8.3. Tổng quan về các mơ hình dịch vụ.........................................................60
3.8.4. Mơ hình máy chủ (Server)......................................................................61
3.8.5. Mơ hình Logical Devices. ......................................................................63
3.8.7. Mơ hình lớp dữ liệu ( DataClass ). .........................................................66
3.8.8. Mơ hình DataSet. ....................................................................................68
3
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
3.8.9. Mơ hình sự cố trạm GOOSE (Generic Object Oriented Substation
Event). ...............................................................................................................70
3.8.10. Truyền dữ liệu Sampled Value (SV). ...................................................72
3.8.11. Báo cáo và ghi nhật ký (Reporting and Logging). ...............................74
3.9. ỨNG DỤNG CỦA IEC 61850 ĐỂ THIẾT KẾ TRẠM ....................................77
3.9.1 Giới thiệu ngôn ngữ SCL (Substation Configuration Language). ...................77
3.9.2. Đối tượng cơ bản của ngôn ngữ SCL. ....................................................77
3.9.3. Trình tự tạo file .SCD để phục vụ cấu hình trạm phân phối ..................78
3.10. Ứng dụng phần mềm Kalkitech SCL manager version4.3 ..............................79
3.10.1. Thiết kế file. SCD .................................................................................80
3.10.2. Gán các Logical Nodes cho các phần tử trạm phát điện ......................82
3.11. Tổng quan về mơ tả chức năng IED.................................................................83
3.12. Cấu hình IED....................................................................................................84
3.13. Thêm các yếu tố truyền thông ..........................................................................87
3.14. Thêm DOI và DAI ...........................................................................................88
3.15. Thêm vào các DataSets ....................................................................................90
CHƯƠNG 4. TỔNG KẾT NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÃ TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN
CỨU TRONG ĐỀ TÀI ............................................................................................ 92
4.1. Các vấn đề cần tìm hiểu .....................................................................................92
4.2. Các vấn đề nghiên cứu được ..............................................................................92
4.3. Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo ...............................................................93
4
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Minh họa về hệ thống SCADA .............................................................12
Hình 2.1: Hệ thống điện của nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn I................................18
Hình 2.2: Sơ đồ trạm 220 kV .................................................................................21
Hình 2.3: Mạch vịng kép .......................................................................................22
Hình 2.4 : Mạch vịng đơn ......................................................................................22
Hình 2.5: Mạch thẳng .............................................................................................23
Hình 2.6: Mạch hình sao ........................................................................................23
Hình 2.7: Sơ đồ vịng kép truyền thơng trạm .........................................................26
Hình 2.8: Ký hiệu relay kỹ thuật số và dây liên kết trong trạm .............................27
Hình 2.9: Cách thức trao đổi thơng tin ...................................................................29
Hình 3.1: Mơ hình tiêu chuẩn IEC 61850. .............................................................33
Hình 3.2: Mơ hình khối Physical Device. ..............................................................36
Hình 3.3: Cấu trúc đối tượng IEC61850 ................................................................41
Hình 3.4: Thành phần CDC trong máy cắt XCBR .................................................42
Hình 3.5: Một số chức năng trong danh sách các lớp dữ liệu chung .....................43
Hình 3.6: Tình trạng FC-Lớp dữ liệu thơng thường trong IEC61850-7-3 .............44
Hình 3.7: Danh sách các lớp chức năng giới hạn của nút logic .............................45
Hình 3.8: Mơ hình cấu trúc liên kết tự động hóa trạm biến áp. .............................46
Hình 3.9: Mơ hình tiếp cận tiêu chuẩn IEC 61850. ................................................47
Hình 3.10: Mơ tả loại thơng tin trong LN .............................................................49
Hình 3.11: Ngun tắc xây dựng lên khối thiết bị (IED). ......................................49
Hình 3.12: Mơ tả dạng cấu trúc về thơng tin vị trí của một máy cắt ......................50
Hình 3.13: Dịch vụ trao đổi thơng tin trong LN .....................................................51
Hình 3.14: Khái niệm q trình chia nhỏ và hợp thành của một LN ....................53
Hình 3.15: Mơ tả thơng tin có cấu trúc cây của một XCBR1 ................................54
5
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
Hình 3.16: Phương pháp trao đổi thơng tin ACSI. ...........................................55
Hình 3.17: Mơ hình ảo............................................................................................56
Hình 3.18: Áp dụng cho mơ hình GSE...................................................................57
Hình 3.19: Cấu trúc thành phần của các hướng quan sát. ......................................58
Hình 3.20: Mơ hình khái niệm cơ bản của các lớp ACSI. .....................................60
Hình 3.21: Khái niệm mơ hình dịch vụ ACSI. .......................................................61
Hình 3.22: Các khối hình thành mơ hình Server. ...................................................61
Hình 3.23: Lưu đồ của mơ hình server ...................................................................62
Hình 3. 24: Mơ hình khối Logical Device. .............................................................63
Hình 3. 25: Lưu đồ của dịch vụ lớp Logical Device ..............................................64
Hình 3.26: Lưu đồ của lớp Logical Node ...............................................................66
Hình 3.27: Mơ hình lớp Data cho một máy cắt XCBR trong LN. .........................67
Hình 3.28: Dịch vụ hoạt động trên dữ liệu. ............................................................67
Hình 3.29 : Lưu đồ của Lớp Data ...........................................................................68
Hình 3.30: Thành phần DataSet. ............................................................................69
Hình 3.31: Lưu đồ lớp DataSet ..............................................................................70
Hình 3.32: Mơ hình sự cố dùng GOOSE. ..............................................................71
Hình 3.33: Lưu đồ lớp Goose .................................................................................72
Hình 3.34: Mơ hình SV ..........................................................................................73
Hình 3.35: Mơ hình báo cáo và ghi nhật ký. ..........................................................74
Hình 3.36: Sơ đồ từng bước cấu hình trạm phát điện........................................78
Hình 3.37: Mơ hình hóa các thiết bị ở trạm phát điện Nghi Sơn I .........................79
Hình 3.38: Mở một Project thiết kế trạm phát điện Error! Bookmark not defined.
Hình 3.39: Sơ đồ nhất thứ trạm được vẽ trên phần mềm .......................................82
Hình 3.40: Thêm Accesspoint Details khi thêm một Lnode ..................................82
Hình 3.41: Gán các LN cho phần tử trạm phát điện ..............................................83
6
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
Hình 3.42: Kết nối chức năng IED vào cấu hình trạm phát điện ...........................83
Hình 3.43: Thêm chức năng LN GGIO ..................................................................85
Hình 3. 44: Thêm DO Eehealth 2 ...........................................................................85
Hình 3.45: Thêm chức năng LN GGIO ..................................................................86
Hình 3.46: Thêm một subnetwork trong communication ......................................87
Hình 3.47: Thêm một Connected AP trong subnetwork ........................................88
Hình 3.48: Thêm một DOI trong LN......................................................................89
Hình 3.49: Thêm DAI cụ thể ..................................................................................89
Hình 3.50 : Thêm DataSet ......................................................................................90
Hình 3.51: Thông tin của DataSet trong của sổ windown......................................91
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: So sánh mạch vịng tích cực và mạch thẳng ..........................................24
Bảng 2.2: Phân biệt Server và client ......................................................................30
Bảng 2.3: Các thiết bị cấu hình cho hệ thống SCADA ..........................................30
Bảng 3.1: Cụm từ viết tắt trong IEC61850.............................................................35
Bảng 3.2: Chức năng cụ thể của từng loại Logic nodes .........................................37
Bảng 3.3: Đối tượng máy cắt trong mơ hình cơ bản của lớp ACSI .......................60
Bảng 3.4: Định nghĩa lớp Server. ...........................................................................62
Bảng 3.5: Định nghĩa lớp Logical Device ..............................................................63
Bảng 3.6: Định nghĩa lớp Logical Node.................................................................65
Bảng 3.7: Định nghĩa lớp Data. ..............................................................................67
Bảng 3.8: Định nghĩa lớp DATA-SET (DS). .........................................................69
Bảng 3.9: Định nghĩa khối lớp GOOSE. ................................................................71
Bảng 3.10: Dịch vụ lớp MSVCB............................................................................73
Bảng 3.11: Các thiết bị được ảo hóa trong trạm .....................................................79
7
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Bay Control Unit
Khối điều khiển
Direct Current
Dòng điện một chiều
EWS
Engineering Work Station
Trạm kỹ thuật
GTW
Gateway
Cổng vào ra
GPS
Global Positioning Systems
Hệ thống định vị toàn cầu
HMI
Human Machine Interface
Giao diện người máy
Hard disk
Ổ cứng
Input/output
Đầu vào/ra
LCD
Liquid Crystal Display
Màn hình tinh thể lỏng
LAN
Local Area Network
Mạng LAN
Lucent conector
Đầu nối LC
National Load Despatch center
Trung tâm điều độ quốc gia
National Regional Load Despatch
center
Trung tâm điều độ khu vực
Operator Work Station
Trạm vận hành
OI
Operator Interface
Giao diện vận hành
PC
Single Line Diagram
Sơ đồ một sợi
SWITCHYARD
Trạm phân phối 220KV
Substation control SystemM
Hệ thống điều khiển trạm
điện
BCU
DC
HD
I/O
LC
NLDC
NRLDC
OWS
SWYD
SCS
8
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
PHẦN MỞ ĐẦU
1.1. Lý do chọn đề tài
Sự ra đời của tiêu chuẩn IEC 61850 dựa trên những mục tiêu của cấu trúc truyền
thơng tiện ích UCA, đã tạo nên bước đột phá trong công nghệ trạm biến áp. Từ khi
áp dụng tiêu chuẩn IEC 61850 thì việc kết nối, trao đổi dữ liệu giữa những thiết bị
từ nhiều nhà cung cấp trở nên dễ dàng hơn và hạn chế được giao thức độc quyền.
Từ đó, tiêu chuẩn IEC 61850 được chọn làm tiêu chuẩn trong tự động hóa trạm.
Sau q trình nghiên cứu, phân tích những ứng dụng từ tiêu chuẩn IEC 61850
trong trạm phát điện dựa trên những mơ hình ứng dụng, trao đổi thơng tin, tìm hiểu
về giao thức hay việc sử dụng ngơn ngữ SCL trong cấu hình trạm. Từ những phân
tích tiêu chuẩn IEC 61850 đề tài được chọn có tên: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống
điều khiển giám sát cho trạm phát điện của nhà máy nhiệt điện”
1.2. Mục tiêu của luận văn
• Thơng qua luận nhằm tìm hiểu cơ chế hoạt động của trạm phát điện theo
tiêu chuẩn IEC 61850.
• Biết phân tích chức năng của các thiết bị IED dùng trong trạm và tìm hiểu
những giao thức truyền dữ liệu hay các mơ hình trong tiêu chuẩn IEC
61850.
• Biết sử dụng ngôn ngữ và phần mềm hỗ trợ trong việc cấu hình trạm theo
tiêu chuẩn IEC 61850.
• Làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ - nhân viên đang tham gia vận hành,
quản lý các trạm điện trong ngành điện.
1.3. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu nhằm giới thiệu tổng quan hệ thống SCADA, các yêu cầu
của một hệ thống SCADA hồn chỉnh. Tìm hiểu cụ thể hệ thống SCADA của nhà
máy Nhiệt điện Nghi Sơn I. Từ sơ đồ nhất thứ của trạm phát điện cho tới sơ đồ
truyền thơng vịng kép theo tiêu chuẩn IEC 61850. Phân tích được các tín hiệu điều
khiển tới trạm từ điều độ vùng và điều độ quốc gia, tới các thiết bị trường.
9
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
Từ Chương 3, luận văn này tập trung khai thác nội dung trọng điểm của tiêu
chuẩn IEC 61850 như các định nghĩa về Logical nodes, các DataSet. Từ các định
nghĩa này làm kiến thức nền tảng thiết kế nên một trạm phát điện hoàn chỉnh theo
tiêu chuẩn IEC61850.Việc ứng dụng phần mềm Kalkitech SCLmanager
version4.3 đưa ngôn ngữ SCl dựa trên ngơn ngữ đánh dấu có thể mở rộng XML
(eXtensible Markup Language) vào sử dụng và từ sơ đồ nhất thứ của trạm với các
chức năng bảo vệ ngăn lộ, bảo vệ đường dây...thiết kế nên các
file.SCD,.ICD,.CID bước đầu tạo nên cấu hình trạm theo tiếu chuẩn IEC 61850.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phân tích những kiến thức từ những tài liệu
về IEC 61850 từ đó khái quát hóa được những nội dung được ghi trong luận văn,
những nội dung cần phân tích như sau :
• Nghiên cứu, phân tích tiêu chuẩn IEC 61850 qua các tài liệu IEC 61850 điển
hình là các tài liệu IEC 6185 part-6/7
• Tìm hiểu hoạt động thực tế của trạm phát điện Nhiệt điện Nghi Sơn I.
• Tìm hiểu chức năng bảo vệ của các thiết bị điện tử thông minh (IED) thông
qua nghiên cứu cấu hình của relay kỹ thuật số của hãng ALSTOM,
MICOM.
• Tìm hiểu kiến thức về những yêu cầu thiết kế hệ thống SCADA trạm, mơ
hình truyền thơng trong trạm được triển khai như thế nào từ màn hình HMI
tới RTU và tới các thiết bị trường như máy cắt, dao cách ly...
• Tìm hiểu thực trạng về cấu hình, cách kết nối và truyền thông tin trong ở
Trạm phát điện thực tế Nhiệt điện Nghi Sơn I.
• Phân tích hướng dẫn sử dụng và các bước cơ bản để tạo nên file SCD cấu
hình trạm từ Software SCL Manager Kalkitech.
• Tìm hiểu thêm những phần mềm ứng dụng để thiết kế File SCL theo tiêu
chuẩn IEC 61850 như PCM600, CCT(ABB), Digse (Siemen), CET850.
10
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
• Phân tích các bước cơ bản để tạo nên file SCL cấu hình trạm từ Software
SCL Manager Kalkitech.
1.5. Nội dung luận văn
Luận văn được thực hiện với cấu trúc như sau:
CHUONG 1: Tổng quan về SCADA và trạm phát điện trong nhà máy nhiệt
CHƯƠNG 2: Cấu trúc hệ thống SCADA Trạm 220 kV nhà máy Nhiệt điện Nghi
Sơn I
CHƯƠNG 3: Giới thiệu về tiêu chuẩn IEC 61850
CHƯƠNG 4: Tổng kết những vấn đề đã tìm hiểu và nhiên cứu trong luận văn
11
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG
NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.1. Tổng quan về hệ thống SCADA
Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phần không thể
thiếu được trong một hệ thống tự động hóa hiện đại. Từ những năm gần đây,
tiến bộ trong các lĩnh vực truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm
đã thực sự đem lại nhiều khả năng mới, giải pháp mới.
Giống như nhiều từ viết tắt có tính chất truyền thống khác, khái niệm
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là viết tắt của cụm từ điều
khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Một hệ SCADA thực hiện các chức năng sau:
• Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến.
• Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được.
• Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý.
• Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của
nhà máy.
• Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính
xác.
1.1.1. Khái niệm về hệ thống SCADA
Hình 1.1: Minh họa về hệ thống SCADA
12
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
Từ sơ đồ khối của hệ thống SCADA bao gồm các thành phần như sau:
• Con người - máy giao diện (HMI)
• Hệ thống giám sát
• Đơn vị thiết bị đầu cuối từ xa (RTU)
• Programmable Logic Controllers (PLC)
• Mạng thơng tin liên lạc
1.1.2. Giao diện người - máy (HMI)
HMI là một thành phần trong một hệ SCADA, là một thiết bị đầu vào - đầu ra
hiển thị quá trình xử lý các dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt
động của hệ thống. HMI được sử dụng bằng cách liên kết với các chương trình
phần mềm và cơ sở dữ liệu của hệ thống SCADA nhằm cung cấp các thông tin
quản lý, bao gồm sơ đồ chi tiết, thông tin thiết bị, dự đoán xu hướng và dữ liệu cho
một cảm biến hoặc thiết bị cụ thể, các cách tiến hành các lịch trình bảo dưỡng.
Hệ thống HMI tạo điều kiện để cho các nhân viên vận hành có thể xem thơng tin
được ghi lại trong lịch sử hoạt động của thiết bị. Tuy nhiên không phải chỉ ở cấp
điều khiển giám sát, mà ngay ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện
người-máy phục vụ việc quan sát và thao tác vận hành cục bộ.
1.1.3. MTU (Master Terminal Unit)
MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, là thiết bị đưa ra lệnh trực tiếp tới
RTU. MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền thơng.
Ngồi ra MTU cịn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như monitor, máy in và có
thể kết nối với mạng truyền thông khác. Nhiệm vụ của MTU bao gồm:
• Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành.
Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU.
• Hiển thị các thơng tin cần thiết về các q trình cũng như trạng thái của các
thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển.
• Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác.
1.1.4. RTU (Remote Terminal Unit)
13
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
RTU thu nhận thông tin từ xa, thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu và
thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo…
gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái hoạt động
của các thiết bị hiện trường. Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều
khiển hoạt động của các thiết bị theo yêu cầu.
Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và
đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu. Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có
các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ xa
mà không cần định hướng của MTU.
1.1.5. Programmable Logic Controllers
Trong các hệ thống SCADA, PLC được kết nối với các cảm biến để thu thập các
tín hiệu đầu ra cảm biến để chuyển đổi các tín hiệu cảm biến thành dữ liệu số. PLC
được sử dụng thay cho RTU vì những lợi thế của PLC như tính linh hoạt, cấu hình
đa năng và khả năng chi trả so với RTU.
Mạng thông tin liên lạc: Là môi trường truyền thông giữa các khối thiết bị với
nhau, bao gồm phần cứng và phần mềm.
• Phần cứng: là các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và các
thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây_ wireless), các trạm lặp
(trong trường hợp truyền đi xa).
• Phần mềm: đó là các giao thức truyền thơng (protocol), các ngơn ngữ lập
trình được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau.
1.2. Sự hoạt động của hệ thống SCADA
1.2.1. Cơ chế thu thập dữ liệu
Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện ở q trình các RTU
qt thơng 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.
14
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu u 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.
1.2.2. Xử lí dữ liệu
Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng tương tự (analog), 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 hiển 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 hiện 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 lí lỗi rất tốt khi hệ thống xảy ra
sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố xảy ra SCADA có thể lựa chọn một trong các cách
xử lí sau:
• Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: Trong 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 phịng, ví dụ như hệ thống truyền thơng
hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…do vậy, các bộ phận dự
phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hệ thống
ở trạng thái đóng (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…).
1.3. Các yêu cầu của hệ thống SCADA
Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng sau:
15
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
1.3.1. Chức năng giám sát
• Giám sát và đảm bảo được tinh chính xác tồn bộ các thơng số vận hành của
hệ thống như dịng điện, điện áp, cơng suất, tần số, vị trí nấc của máy biển
áp...
• Giám sát được các trạng thái cùa các phần tử đóng cắt trong hệ thống. Đó là
trạng thái đóng/mở cùa máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa...
1.3.2. Chức năng điều khiển
Q trình điều khiên phải chính xác, tin cậy. Trong q 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 bào tuyệt đối
tin cậy, khơng được nhầm lần, có nghĩa là các thao tác phải được giám sát chặt chẽ
về tính liên động phối hợp giữa máy cát, dao cách ly và các thiết bị liên quan tuân
theo quy trình quy phạm vận hành của hệ thống.
1.3.3. Cài đặt thơng số từ xa
Khi có sự thay đồi về cấu trúc của lưới hoặc nâng cao cơng suất chống q tải thì
các thơng 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 đồi tỷ số biển 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 đặt
được thực hiện từ xa tại các Trung tâm điều độ vùng/miền hoặc quốc gia.
1.3.4. Quản lý và lưu trữ dữ liệu
Giám sát được các sự cố xảy ra trên lưới cũng như của các thiết bị, cánh báo sự
cố bằng âm thanh, màu sắc hoặc thơng 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.
1.3.5. Tính năng thời gian thực
SCADA là một hệ thống điều khiến 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
16
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
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 khơng nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh mà quan
trọng 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
thơng tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền thơng. 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:
• Độ nhạy nhanh: Tốc độ truyền thơng tin hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng
nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể.
• Tính tiền định: Dự đốn trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu, thời
gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm.
• Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo trong một thời gian cần cho việc vận chuyền
dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định.
17
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG SCADA CHO TRẠM ĐIỆN 220kV
NHIỆT ĐIỆN NGHI SƠN I
2.1. Giới thiệu về hệ thống điện Nhà máy
Nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn I gồm có hai khối máy phát khối 1 và khối 2:
Công suất định mức 2 x 300 MW, cấp điện lên lưới điện qua trạm phát điện 220kV.
Hình 2.1: Hệ thống điện của nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn I
Hệ thống được chia thành các phần chính:
• Phần khối máy phát - máy biến áp chính
• Phần trạm phân phối 220kV
• Phần cung cấp điện tự dùng
Khối 1: gồm các máy phát điện năng đầu cực 21kV nối với máy biến áp chính T1
qua máy cắt đầu cực 901. Máy biến áp T1 biến đổi điện áp từ 21kV lên 220kV cấp
phần lớn điện năng của máy phát vào hệ thống qua hai máy cắt 231 và máy cắt 251.
18
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
• Cơng suất máy phát được trích lại cung cấp cho hệ thống kích từ tĩnh.
• MBA tự dùng TD91 lấy điện phía 21kV hạ áp xuống 6,6kV cung cấp điện
cho hệ thống điện tự dùng Unit 1.
• Khối 2: gồm máy phát điện năng S2 nối với máy biến áp T2 qua máy cắt
đầu cực 902. Máy biến áp T2 biến đổi điện áp từ 21kV lên 220kV cấp phần
lớn điện năng của máy phát vào hệ thống qua hai máy cắt 232 và máy cắt
252.
• Cơng suất máy phát ra được trích lại cung cấp cho hệ thống kích từ tĩnh.
• MBA tự dùng TD92 lấy điện phía 21kV hạ áp xuống 6,6kV cung cấp điện
cho hệ thống điện tự dùng Unit 2.
2.2. Mô tả trạm phát điện
Sử dụng sơ đồ 3/2 cắt gồm hai thanh cái C21 và thanh cái C22 có 8 máy cắt cho
truyền tải điện năng lên lưới điện qua hai đường dây Nghi Sơn Line 1 và Nghi Sơn
Line. Trạm 220 kV chia làm 3 khoang:
• Khoang thứ 1 (D01): Gồm máy cắt 231, 251, 281 bảo vệ cho hai lộ đầu ra
đường dây Nghi Sơn line 1 và Nghi Sơn line 2 và đầu ra của máy biến áp
T1.
• Khoang thứ 2 (D02) : Gồm máy cắt 233, 253, 283 bảo vệ cho lộ đầu ra
đường dây Nghi Sơn line 2 và phía đầu ra của máy biến áp tự dùng T3.
• Khoang thứ 3 (D03): Gồm máy cắt 232, 252 cấp điện cho hai thanh cái bảo
vệ đầu ra máy biến áp T2.
2.3. Các thiết bị sử dụng trong trạm
• Các bảo vệ kỹ thuật số (IED) P141, P443, P453 và P821 của hãng Micom có
chức năng bảo vệ cho trạm 220 Kv gồm các chức năng bảo vệ q dịng, bảo
vệ so lệch, bảo vệ khoảng cách...
• Các biến dòng TI làm nhiệm vụ đo lường và bảo vệ
• Các biến điện áp TU làm nhiệm vụ đo lường và bảo vệ
• Các chống sét van làm nhiệm vụ chống lại xung sét
19
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
• Các bảo vệ thanh cái C21, C22 là bảo vệ Micom P743 gồm các chức năng
bảo vệ so lệch, bảo vệ chống hư hỏng máy cắt .
• Máy cắt GL314F13
• Dao cách ly
• Dao tiếp địa: Truyền động trực tiếp bằng tay
2.4. Phân tích các tín hiệu
Các tín hiệu được miêu tả là sự trao đổi tín hiệu qua lại giữa Điều độ quốc gia
(NLDC), điều độ miền (NRLDC), hệ thống điều khiển DCS nhà máy và trạm 220
Kv. Các tín hiệu trong Hệ thống SCADA trạm 220 Kv được phân loại như sau:
2.4.1. Tín hiệu từ thiết bị trạm, từ bảo vệ IEC tới RTU đến NRDC/ NRDC và
DCS.
• Các tín hiệu chỉ trạng thái của thiết bị trạm 220 kV như: tình trạng kết nối
của trạm, máy cắt, dao cách ly, trạng thái hoạt động của relay bảo vệ, tình
trạng vị trí khóa Remote/Local.
• Các tín hiệu số chỉ tình trạng alarm và danh sách sự kiện diễn ra: báo áp suất
khí SF6 thấp, động cơ chưa tích năng, các bảo vệ đi tác động của relay
P141, P443, P543, P821.
• Các tín hiệu biểu thị giá trị đo lường như dòng điện, điện áp, công suất tác
dụng, công suất phản kháng, tần số của đường dây, nấc phân áp, tần số... của
máy biến áp T1, T2, T3, thanh cái C21, C22, đường dây 281,283.
2.4.2. Các tín hiệu gửi từ NLDC/NRLDC và từ DCS đến trạm 220 kV.
• Lệnh vận hành (open/close) cho máy cắt, dao cách ly
• Lệnh tăng/giảm nấc phân áp cho máy biến áp T1, T2, T3
Chú ý: Những tín hiệu được trình bầy theo Bảng đính kèm
20
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện
Hình 2.2: Sơ đồ trạm 220 kV
21
