Nghiên cứu thiết kế hệ thống scada cho nhà máy thủy điện đaksrông

..

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO

TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hµ NéI
[\

ĐỒN VĂN MINH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO
NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN ĐAKSRƠNG

LN V¡N TH¹C SÜ KHOA HäC
MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

Hµ Néi – 2010


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, cùng với sự nỗ lực của bản thân, tôi
rất cám ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô, bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã tạo
điều kiện cho tơi hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, TS. Nguyễn Xn Hồng
Việt, bộ mơn Hệ thống điện – trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi cũng xin cảm ơn Trung tâm đào tạo sau đại học – Đại học Bách
khoa Hà Nội vì đã giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt khóa học này.
Cuối cùng, tơi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, các
chuyên gia trong lĩnh vực SCADA và các bạn bè đồng nghiệp.

Hà nội 4/2010
Đoàn Văn Minh

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ

CCR

Centre Control Room

Phòng điều khiển trung tâm

GPS

Global Position System

Hệ thống định vị toàn cầu

MMI

Man – Machine Interface

Giao diện người máy

ICCP

Inter-control Center Communication Protocol

IEDs

Intelligent Electronic Devices Thiết bị điện tử thông minh

ISO

International Organization for Standardization
Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers
Viện các vấn đề kỹ thuật điện và điện tử

LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

RTU

Remote Terminal Unit

Thiết bị đầu cuối

SCADA

Supervisory Control and Data Acquisition
Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu

DSC

Distributed Control System

Hệ thống điều khiển phân tán

TCP/IP

Transmission Control Protocol/Internet Protocol

WAN

Wide Area Network

PLC

Programmable Logic Controller

Mạng diện rộng

Bộ điều khiển logic khả trình
SC

Station Controller

Điều khiển trung tâm

VDU

Visual Display Unit

Màn hình giao diện

DTE

Data Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu

DCE

Data Communication Equipment
Thiết bị truyền dẫn dữ liệu


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1

Bảng phân cấp điều khiển

11

Bảng 2.1.

Cấu trúc bức điện

21

Bảng 4.1

Bảng dự tính số lượng đầu vào / đầu ra cho RTU

80

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Tổng quan thiết bị trong nhà máy

1

Hình 1.2

Mơ hình tuabin – máy phát

2

Hình 1.3

Mơ hình tuabin – máy phát

6

Hình 2.1

Dịch vụ có xác nhận và dịch vụ khơng xác nhận

20

Hình 2.2

Mơ hình quy chiếu ISO/OSI

24

Hình 2.3

Phân loại các phương pháp truy nhập bus

28

Hình 2.4

Phương pháp truy nhập chủ /tớ

29

Hình 2.5

Phương pháp DTMS

30

Hình 2.6

Hai dạng của phương pháp Token Passing

31

Hình 2.7

Truy nhập Bus kết hợp nhiều chủ

32

Hình 2.8

Phương pháp CSMA/CD

32

Hình 2.9

Truyền dẫn khơng đối xứng

34

Hình 2.10

Truyền dẫn chênh lệch đối xứng

34

Hình 2.11

Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232

35

Hình 2.12

Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485

37

Hình 3.1

Cấu trúc tập trung khơng phân

40

Hình 3.2

Sơ đồ cấu trúc phân quyền

41

Hình 3.3

Mơ hình phân cấp mạng xí nghiệp

43

Hình 3.4

Mơ hình phân cấp hệ thống DCS

60

Hình 4.1

Sơ đồ nối điện chính nhà máy thủy điện Đaksrơng

67

Hình 4.2

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển NMTĐ Đaksrơng

72

Hình 4.3

Hệ thống SCADA nhà máy thủy điện Đaksrơng

74

Hình 4.4

Sơ đồ tổ chức thơng tin nhà máy thủy điện Đaksrông

83


MỤC LỤC

Lời cảm ơn

ix

Mục lục

ix

Danh mục các thuật ngữ

ix

Danh mục các bảng biểu

ix

Danh mục các hình vẽ

ix

Mở đầu

1

Chương 1 Tổng quan về nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

1

1.1.

Khái quát chung

1

1.2.

Hệ thống thiết bị chính trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

1

1.2.1. Tổng quan về nhà máy

1

1.2.2. Hệ thống tuabin - điều tốc

5

1.2.3. Hệ thống máy phát-kích từ

7

1.2.4. Thiết bị cấp điện áp máy phát

7

1.2.5. Trạm tăng áp

8

1.2.6. Các hệ thống khác: thơng gió, đo lường, bảo vệ...

8

u cầu điều khiển cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

8

1.3.

1.4.

1.3.1. Yêu cầu chung

10

1.3.2. Thiết kế điều khiển

12

1.3.3. Đặc tính hệ thống điều khiển

12

1.3.4. Thiết bị bảo vệ

15

1.3.5. Hệ thống cảnh báo

16

1.3.6. Các thiết bị đo lường

17

Nhận xét và đặt vấn đề

18

Chương 2 Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp

18

2.1.

Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp

18

2.2.

Cấu trúc mạng – Topology

19


2.2.1. Cấu trúc Bus

19

2.2.2. Cấu trúc mạch vòng

19

2.2.3. Cấu trúc hình sao

19

2.2.4. Cấu trúc cây

20

2.3. Kiến trúc giao thức

20

2.3.1. Dịch vụ truyền thông

20

2.3.2. Giao thức

22

2.3.3. Kiến trúc giao thức TCP/IP

23

2.3.4. Kiến trúc giao thức OSI

26

2.4. Phương pháp truy cập Bus

26

2.4.1. Các khái niệm cơ bản

28

2.4.2. Phương pháp chủ/tớ (master/slave)

30

2.4.3. Phương pháp TDMA (Time division multiple access)

30

2.4.4. Phương pháp Token Passing

32

2.4.5. Phương pháp thâm nhập ngẫu nhiên phân tán CSMA/CD

33

2.5. Thiết bị liên kết mạng

33

2.6. Các chuẩn truyền thông công nghiệp

33

2.6.1. Phương thức truyền dẫn tín hiệu

34

2.6.2. Chuẩn truyền dẫn TIA/EIA

37

2.7. Một số mạng công nghiệp phổ biến

40

Chương 3 Lý thuyết hệ thống SCADA

40

3.1.

Mơ hình tự động hóa

43

3.2.

Giới thiệu về hệ SCADA

42

3.2.1. Định nghĩa

43

3.2.2. Cấu trúc

45

3.2.3. Chức năng

46

3.2.4. Các thành phần của hệ thống SCADA

54

3.2.5. Ứng dụng

55

Giới thiệu về hệ điều khiển phân tán

55

3.3.


3.3.1. Định nghĩa

58

3.3.2. Đặc điểm hệ thống DCS

64

3.4. Giải pháp kết nối SCADA cho các nhà máy thủy điện vừa
và nhỏ
3.4.1. Hiện trạng

65

3.4.2. Giải pháp chung

67

Chương 4 Thiết kế hệ thống SCADA cho nhà máy thủy điện
Đaksrông
4.1.

Khái quát chung
4.1.1. Vị trí xây dựng
4.1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ dự án
4.1.3. Sơ đồ nối điện chính nhà máy

4.2.

Hệ thống SCADA cho nhà máy thủy điện Đaksrông
4.2.1. Nhiệm vụ thiết kế
4.2.2. Yêu cầu thiết kế
4.2.3. Độ tin cậy hệ thống

4.3.

64

Thiết kế hệ thống SCADA cho nhà máy thủy điện Đaksrông
4.3.1. Thiết kế phần cứng trung tâm
4.3.2. Phần mềm SCADA
4.3.3. Thiết kế thiết bị đầu cuối RTU
4.3.4. Thiết kế hệ thống thông tin SCADA
4.3.5. Thiết kế cấp nguồn cho SCADA
4.3.6. Kết quả đạt được
4.3.7. Kết luận

Kết luận chung
Tài liệu tham khảo
Phụ lục:

Giới thiệu các thiết bị của hệ thống SCADA nhà máy
thủy điện Đaksrơng

Tóm tắt luận văn

67
67
67
67
67
67
68
71
72
72

75
77
80
87
89
90
92
ix
ix
ix
ix


ABSTRACT
The thesis have tried to research and design SCADA system for small
and medium size hydropower plant, then apply for specific plant, Daksrong
Hydropower Plant. Main contents include:
-

General about small and medium size Hydro power plant

-

Theoretical basis of industrial communication

-

Theoretical basis of SCADA system

-

Design SCADA system for Daksrong Hydropower Plant
For SCADA for small and medium size hydro power plant, the thesis

has deeply determined , researched its automation requirement and the whole
plant, theory of industrial communication system and SCADA system as well,
then apply for specific project, Daksrong hydropower plant. Author limited in
the introduction and technical design for the plant only.
Key word:
SCADA – Supervising, control and data acquisition system


MỞ ĐẦU
1. Thực trạng tự động hóa trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ và lý do
chọn đề tài.
Cùng với nhu cầu về điện năng tăng cao trong sự nghiệp phát triển
cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành điện đang huy động các nguồn
lực để sản xuất tối đa điện năng đặc biệt là nguồn lực về thủy điện trong đó
hàng trăm các dự án thủy điện vừa và nhỏ (công suất từ 1-30MW) đã và đang
được xây dựng.
Thông thường các nhà máy thủy điện đều được trang bị hệ thống DCS
để tích hợp tồn bộ thơng tin của Nhà máy bao gồm từ thiết bị công nghệ,
năng lượng, thiết bị điện, trạm biến áp đầu ra và hệ thống phụ trợ phục vụ
công tác giám sát và điều khiển tại chỗ của nhà máy.
Tuy nhiên, vì chỉ phục vụ cho mục đích giám sát và điều khiển tại chỗ
nên các hệ thống này thường được thiết kế đóng theo các phương thức truyền
tin và trao đổi dữ liệu của riêng 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 u cầu phát sinh đối với cơng tác quản lý và kinh doanh rất khó
khăn do nhà sản xuất không bao giờ bàn giao hết các công cụ và thủ tục để

thực hiện.
Ngoài ra, do được thiết kế đóng nên các hệ thống DCS rất khó có thể
kết nối với hệ thống SCADA và quản lý đo đếm điện năng của các Cơng ty
điện lực. Bên cạnh đó, do các nhà máy thủy 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 địi hỏi chi phí rất tốn kém kể cả đầu tư ban đầu
và chi phí vận hành hàng tháng.


Tuy nhiên, các yêu cầu kết nối này là bắt buộc đối với các nhà máy
điện theo Qui định đấu nối ban hành kèm Quyết định 37 của Bộ Công Nghiệp
(nay là Bộ Công Thương). Đặc biệt với các nhà máy tham gia chương trình
mua bán phát thải (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 tốn được lượng phát thải được hưởng. Hơn nữa, các trung tâm điều
độ vùng, miền hay quốc gia hiện đã áp dụng thành công hệ thống SCADA
cho công tác điều hành hệ thống điện thuộc quyền của mình.
Giải pháp cho việc quản lý, giám sát và vận hành toàn bộ nhà máy và
đấu nối với các trung tâm điều độ vùng, miền chính là hệ thống SCADA.
Trên thực tế, SCADA khơng cịn là cơng nghệ mới trên thế giới. Nó đã được
ra đời và áp dụng từ khá lâu không chỉ trong ngành điện mà cịn ở nhiều lĩnh
vực khác như cơng nghiệp khai thác dầu khí, hầm mỏ, giao thơng... Những
cơng nghệ áp dụng cho các thành phần cấu thành hệ thống thì vẫn liên tục
được cập nhật và đổi mới. Ngày càng nhiều thế hệ thiết bị với những tính
năng ưu việt ra đời kể cả phần cứng, giải pháp phần mềm hay chuẩn thông tin
liên lạc để phục vụ cho SCADA. Đây chính là lý do cho việc tìm hiểu và
nghiên cứu xây dựng hệ thống SCADA trong nhà máy thủy điện để điều
khiển, giám sát, vận hành toàn nhà máy cũng như kết nối với hệ thống
SCADA của trung tâm điều độ miền và quốc gia.
2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Mục tiêu cơ bản của luận văn này là nghiên cứu các yêu cầu điều khiển
trong các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ và ứng dụng lý thuyết SCADA để
điều khiển.
Để có được bất kì hệ thống nào hồn chỉnh cũng đều phải có nhiều
khâu, bộ phận, nhiều q trình cấu thành. Hệ thống SCADA khơng nằm ngồi
quy luật đó. Chính vì vậy, luận văn cũng đề cập và tìm hiểu các thành phần,
các yếu tố liên quan trực tiếp đến một hệ thống điều khiển trong nhà máy thủy


điện vừa và nhỏ, cụ thể ở đây là hệ thống SCADA, với mục đích có được cái
nhìn đầy đủ và tồn diện hơn.
Do khn khổ có hạn nên với mục tiêu đã đề ra một số phần được trình
bày và nghiên cứu trong bản luận văn dưới đây chỉ dừng ở mức độ chi tiết
nhất định.
Người viết cũng hi vọng qua bản luận văn này sẽ tìm hiểu và nắm bắt
được một lĩnh vực công nghệ tiên tiến được ứng dụng trong nhà máy thủy
điện. Và với kết quả từ việc xây dựng hệ thống SCADA sẽ có thêm những
kiến thức mới, những cái nhìn mới trong việc tiếp cận các nhà máy thủy điện
trong tương lai.
3. Bố cục của luận văn
Để thực hiện mục đích nghiên cứu như trình bày ở trên, bản luận văn
này được trình bày trong bốn chương chính. Nội dung cụ thể của mỗi phần là:
Chương 1: “Tổng quan về nhà máy thủy điện vừa và nhỏ”. Phần đầu của
chương sẽ trình bày về các thiết bị chính trong nhà máy thủy điện vừa. Phần
sau dành cho việc tìm hiều các yêu cầu điều khiển của toàn nhà máy thủy điện
vừa và nhỏ.
Chương 2: “Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp”. Trong chương
này sẽ trình bày sâu phần lý thuyết làm cơ sở để thực hiện phần truyền thông
trong nhà máy điện.
Chương 3: “Lý thuyết hệ thống SCADA” trình bày về các lý thuyết và đặc

điểm của hệ thống SCADA, DSC. Những khái niệm cơ bản của các thành
phần của SCADA và các tiêu chuẩn cơ bản. Từ đó đưa ra giải pháp kết nối
cho hệ thống SCADA cho các nhà máy thủy điện.
Chương 4: “Thiết kế hệ thống SCADA cho nhà máy thủy điện Đaksrông” tập
trung nghiên cứu thiết kế hệ thống trên cơ sở các yêu cầu điều khiển, lý thuyết
đã đề cập trong các chương trước đó.


1

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ

1.1.

KHÁI QUÁT CHUNG
Đối với các nhà máy thủy điện nhỏ công suất từ 1 – 30MW, hệ thống

điều khiển nhà máy cần được thiết lập để đảm bảo điều khiển, giám sát toàn
bộ nhà máy. Tổng quan các thiết bị cơ bản của nhà máy cũng như yêu cầu của
hệ thống điều khiển sẽ được giới thiệu trong chương này.
1.2.

HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHÍNH

1.2.1. Tổng quan về nhà máy
Về cơ bản các thiết bị chính trong nhà máy bao gồm các thành phần như hình
H1.1:

2

1.2.2. Hệ thống tuabin - điều tốc
Mơ hình tuabin – máy phát như
hình 1.2. Nước từ hồ chứa thượng lưu
(reservoir) được dẫn vào hệ thống
đường ống áp lực và buồng xoắn
(spiral case), tại đây nước được gia
tốc tới vận tốc rất lớn, qua hệ thống
cánh hướng (wicket gate), nước được
dẫn vào tuabin thuỷ lực làm quay
tuabin đồng thời làm quay máy phát
điện (generator), thông thường trục
của tuabin được nối thẳng với trục
máy phát (turbine – generator shaft).
Từ đầu cực máy phát, dòng điện được
tăng áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối hoà vào lưới điện quốc
gia.
Tuabin thuỷ lực là một bộ phận quan trọng nhất trong nhà máy thuỷ
điện, bằng sự thay đổi tốc độ nó quyết định cơng suất phát của tổ máy. Là một
thiết bị có cơ cấu phức tạp, trọng lượng và kích cỡ lớn, tuabin địi hỏi phải có
độ bền cao, vận hành ổn định trong thời gian dài (tuổi thọ vận hành 40 năm,
thời gian đại tu 6 năm, trung bình vận hành 3000 giờ/năm ).
Tuabin thuỷ lực bao gồm 2 phần chính (loại tuabin Kaplan trục đứng):
Roto tuabin (gồm bánh xe công tác – BXCT được nối với trục tuabin thông
qua khớp nối truyền động momen xoắn, trục, ổ hướng và ổ chèn trục) và Stato
tuabin (gồm vành đáy tuabin để đỡ trục dưới cánh hướng, các vành làm kín,
vành stato tuabin, bộ cánh hướng dịng ) và bộ ống xả, buồng xoắn.
Tuỳ theo mực nước thượng lưu và khi tải trên lưới điện thay đổi đòi hỏi
lượng điện phát ra của nhà máy phải thay đổi phù hợp. Vấn đề đặt ra là phải

3

điều chỉnh đồng bộ giữa độ mở hệ thống cánh hướng nước nhằm điều chỉnh
lưu lượng nước vào tuabin và điều chỉnh góc nghiêng của BXCT, tạo cho
tuabin tốc độ ổn định.
Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor
(thông thường 2 servomotor) và hệ thống xilanh thuỷ lực. Truyền động của
servomotor sẽ qua hệ thống xilanh gắn với vòng điều chỉnh, giữa cánh hướng
và vòng điều chỉnh có các khớp truyền động.
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật số, bộ điều tốc tuabin
được tự động hố hồn tồn có khả năng thu thập các thơng số q trình một
cách liên tục, tự động điều chỉnh ổn định quá trình vận hành.
Mỗi tuabin được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có
khả năng điều khiển tốc độ, cơng suất phát, lưu lượng nước vào tuabin cho
phép tổ máy vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vận hành song song với
nhau và với hệ thống điện.
Bộ điều tốc kỹ thuật số: được lắp trong các tủ điều khiển tại tổ máy, các
thông số được giám sát qua hệ thống SCADA ở phòng điều khiển trung tâm.
Bộ điều tốc có cấu hình dự phịng kép cả về phần cứng và phần mềm, một hệ
giao tiếp tốc độ cao được thiết lập giữa hai card xử lý đảm bảo q trình
chuyển mạch khơng trễ trong mọi chế độ vận hành. Ngun lý điều chỉnh là
thuật tốn PID có nhánh hồi tiếp.
Điều khiển vị trí: sử dụng thuật tốn điều chỉnh PD, tín hiệu vào là vị trí thực
của cánh hướng và vòng trượt của các servomotor. Khi vận hành ở chế độ quá
tải, sự giới hạn tốc độ của cánh hướng và BXCT được đặt lên hàng đầu nhằm
tránh tuabin lệch khỏi vị trí tối ưu. Điểm đặt vị trí của BXCT được tính tốn
dựa theo điểm đặt vị trí cánh hướng và giá trị cột nước.
Điều khiển giới hạn độ mở: độ mở giới hạn có thể được điều chỉnh trong

khoảng -5 đến 105%.


4

Điều khiển vận tốc: sử dụng thuật toán điều chỉnh PID có phản hồi, giá trị đặt
của bộ điều khiển vận tốc có thể được điều chỉnh trong khoảng 90 đến 110%.
Dải tần số chết có tác dụng trong suốt q trình vận hành song song và có thể
điều chỉnh được. Bộ điều chỉnh PID sẽ xác định điểm đặt cho servomotor điều
khiển cánh hướng bằng cách tính tốn sự sai lệch giữa giá trị đặt và tốc độ
thực tế.
Điều khiển độ mở cánh hướng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong
khoảng -5 đến 105%, chế độ vận hành của bộ điều khiển này chỉ có thể được
lựa chọn khi tổ máy vận hành ở chế độ song song, trong các chế độ khác điểm
đặt của độ mở sẽ là độ mở thực của cánh hướng.
Điều khiển lưu lượng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -5 đến
105%. Lưu lượng thực tế được tính tốn từ cột nước, vận tốc tuabin, vị trí của
cánh hướng và BXCT. Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI, xác định giá trị
đặt cho vị trí của servomotor cánh hướng bằng cách tính tốn sự khác nhau
giữa giá trị đặt và lưu lượng thực tế.
Điều khiển mực nước: giá trị điểm đặt đã được xác định trước, nó chỉ có thể
được xác định lại thơng qua các thiết bị đầu cuối, bảng vận hành hay giao
diện thông tin. Bộ điều khiển sử dụng thuật tốn PI.
Các tính năng tự động hố của bộ điều tốc:
−

Điều chỉnh vị trí các cánh hướng đồng bộ với điều chỉnh độ nghiêng
của BXCT.

−

Giám sát và kiểm tra tốc độ, lưu lượng.

−

Điều chỉnh việc chọn nhanh mức tải.

−

Vận hành đa nhiệm theo thời gian thực.

−

Giao diện Ethernet chuẩn với hệ thống SCADA.

−

Giao diện HMI tại phòng điều khiển và tủ điều khiển tại chỗ.

−

Ghi và thơng báo các sự kiện trong q trình vận hành.


5

−

Bảo vệ điện một chiều các Module I/O, kiểm tra cao tần hệ thống.

Bộ điều tốc thuỷ lực: gồm bể chứa dầu, van trượt điều khiển chính, máy bơm
trục vít, bộ lọc, các sensor đo mức và nhiệt độ.
Bộ tác động điện thuỷ lực biến đổi các tín hiệu từ bộ điều khiển kỹ
thuật số thành các đại lượng cơ tương ứng. Bộ khuếch đại thuỷ lực gồm có
van động và van phân phối chính nối hệ thống ống dầu áp lực với servomotor
của cánh hướng và hệ thống cấp dầu áp lực.
Hệ thống khí nén cung cấp cho bình tích áp, cân bằng áp lực hệ thống.
Với hệ thống van, thời gian tác động được giới hạn tương ứng với địi
hỏi của sự thay đổi tốc độ. Ngồi ra cịn có một van trượt điện từ độc lập để
dừng khẩn cấp tuabin bằng cách tác động để servomotor đóng khẩn cấp các
cánh hướng mà bỏ qua các tín hiệu từ bộ điều khiển.
Các thiết bị đo:
−

Đầu đo lưu lượng

−

Đo áp suất vi sai tại buồng xoắn

−

Công tắc giới hạn và cảnh báo sự đồng bộ giữa các cánh hướng.

−

Đo vị trí vành điều chỉnh hay độ mở cánh hướng.

−

Đo áp suất xilanh và nhiệt độ dầu áp lực.

−

Đo độ lệch trục của Tuabin.

Ngồi ra cịn có các hệ thống đo khác đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn, ổn
định
1.2.2. Hệ thống máy phát - kích từ
Mơ hình của máy phát điện thủy lực như hình H1.3.
Máy phát điện: có nhiệm vụ biến đổi cơ năng chuyển động quay của tua bin
thành điện năng – khâu chính của quá trình sản xuất năng lượng điện. Cho
đến nay, các máy phát điện dùng trong nhà máy thủy điện chủ yếu vẫn là các


6

máy phát điện đồng bộ 3 pha. Chúng có cơng suất từ vài kW đến hàng nghìn
MW, điện áp định mức
từ 380V đến 25kV.
Thông

thường,

máy phát điện tua bin
nước được chế tạo với
tốc độ quay chậm, thấp
hơn nhiều so với máy
phát điện tua bin hơi
nước. Tốc độ quay của

máy phát điện ở các
nhà máy thủy điện khác
nhau do để đảm bảo
hiệu suất cao, tuabin nước cần có cơng suất định mức và tốc độ quay phù hợp
với tham số nguồn nước (chiều cao hiệu dụng cột nước, lưu lượng dòng
nước…)
Do tốc độ quay thấp, số đôi cực của máy phát điện tuabin nước rất
nhiều. Số đôi cực p quan hệ với tốc độ quay n theo cơng thức:

Trong đó: f =50Hz – tần số định mức của lưới điện Việt Nam
Hệ thống làm mát máy phát điện có ảnh hưởng quyết định đến giới hạn
công suất làm việc của máy phát điện do nhiệt độ nóng cho phép lâu dài của
cách điện.
Hệ thống kích từ: có nhiệm vụ cung cấp dịng một chiều cho các cuộn dây
kích thích của máy phát đồng bộ. Hệ thống kích tự phải có khả năng điều
chỉnh bằng tay hoặc tự động để đảm bảo chế độ làm việc ổn định, kinh tế với
chất lượng cao trong mọi tình huống.


7

Trong chế độ làm việc bình thường điều chỉnh dịng kích từ sẽ điều
chỉnh được điện áp đầu cực máy phát, thay đổi lượng công suất phản kháng
vào lưới. Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) làm việc nhằm giữ điện
áp khơng đổi (với độ chính xác nhất định) khi phụ tải biến động. Ngồi ra
TĐK cịn nhằm các mục đích nâng cao giới hạn cơng suất truyền tải từ máy
phát điện vào hệ thống, đặc biệt khi nhà máy nối với hệ thống qua đường dây
dài, đảm bảo ổn định tĩnh, nâng cao tính ổn định động.
Trong chế độ sự cố (ngắn mạch trong lưới…) chỉ có bộ phận kích thích
cưỡng bức làm việc là chủ yếu, nó cho phép duy trì điện áp của lưới, giữ ổn

định cho hệ thống.
Hiệu quả thực hiện các nhiệm vụ trên phụ thuộc vào đặc trưng và thông
số của hệ thống kích từ cũng như kết cấu của bộ phận TĐK.
Thơng thường để cung cấp một cách tin cậy dịng một chiều cho cuộn
dây kích từ của máy phát điện đồng bộ cần phải có hệ thống kích từ thích hợp
với công suất định mức đủ lớn, từ 0.2 -0.6% công suất định mức máy phát
điện.
1.2.3. Thiết bị cấp điện áp máy phát
Cấp điện áp máy phát thường nhỏ hơn cấp điện áp lưới truyền tải. Các
thiết bị cấp điện áp máy phát có chức năng truyền tải điện từ máy phát đến
trạm tăng áp, một phần qua máy biến áp phân phối để cấp điện cho hệ thống
tự dùng tồn nhà máy. Đối với các máy phát tự kích từ, hệ thống thiết bị cấp
điện áp máy phát sẽ bao gồm các máy biến áp hạ áp hay gọi là máy biến áp
kích từ. Dịng điện sẽ qua máy biến áp kích từ đến hệ thống kích thích của tổ
máy.
1.2.4. Trạm tăng áp
Trạm tăng áp của nhà máy thủy điện đóng vai trị quan trọng trong việc
truyền tải điện đến lưới điện khu vực hoặc quốc gia. Điện năng được truyền
tải đến trạm tăng áp thông qua hệ thống thiết bị cấp điện áp máy phát.


8

Các thiết bị chính trong trạm tăng áp gồm:
−

Các máy biến áp lực biến điện áp từ cấp điện áp máy phát đến cấp điện
áp truyền tải như: 13.8kV/110kV.

−

Các hệ thống máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa.

−

Các hệ thống máy biến điện áp, máy biến dòng điện, đồng hồ đo đếm…

−

Các hệ thống rơ le bảo vệ.

−

Hệ thống chống sét, nối đất, chiếu sáng…

−

Và các thiết bị phụ trợ khác.
Các thiết bị trong trạm tăng áp phải đảm bảo truyền tải được điện năng

từ nhà máy đến lưới điện quốc gia hoặc khu vực. Trong các trường hợp sự cố
hoặc bất thường khác, các hệ thống đo đếm, bảo vệ phải tác động chính xác
cắt vị trí sự cố ra khỏi lưới điện, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị.
1.2.5. Các hệ thống khác: thơng gió, đo lường, bảo vệ...
Các thiết bị phụ trợ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo làm
việc ổn định cho các thiết bị chính trong nhà máy. Các hệ thống phụ trợ bao
gồm các hệ thống thơng gió, hệ thống cấp nước kỹ thuật cho tua bin, máy
phát, hệ thống làm mát dầu, hệ thống khí nén…
1.3.

YÊU CẦU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ
1.3.1. u cầu chung
Đối với các nhà máy có cơng suất lớn, yêu cầu điều khiển cho toàn bộ
hệ thống là rất cao do việc dừng máy của các nhà máy này sẽ dẫn đến thiếu
hụt công suất trên lưới, ảnh hưởng đến ổn định cũng như chất lượng điện
năng. Do đó, các hệ thống điều khiển phải có khả năng xử lý nhanh và tin cậy
trong các trường hợp vận hành của nhà máy cũng như trong tình huống sự cố.
Các thiết bị điều khiển địi hỏi phải có dự phịng nóng tồn bộ nhà máy, hệ


9

thống chống nhiễu đường dây thông tin, đo lường đảm bảo nhận biết chính
xác chế độ làm việc thiết bị. Các hệ thống điều khiển nhóm cơng suất đảm
bảo vận hành và phân bố tối ưu chế độ làm việc của các tổ máy. Do vậy, việc
thiết kế hệ thống điều khiển rất phức tạp.
Đối với các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, các hệ thống điều khiển có
yêu cầu thấp hơn do việc dừng tổ máy không ảnh hưởng lớn đến lưới điện nói
chung. Do vậy, việc thiết kế hệ thống điều khiển đơn giản hơn. Tuy vậy, hệ
thống điều khiển vẫn phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản như sau:
−

Điều khiển tin cậy và ổn định các thiết bị công nghệ.

−

Giao diện với thiết bị công nghệ ổn định.

−

Quản lý an toàn toàn bộ dữ liệu và thông tin vào và ra từ các thiết bị
sản xuất.

Các giải pháp cho hệ thống điều khiển phải:
−

Chú trọng đến vấn đề an toàn đối với người và trang thiết bị.

−

Bảo vệ trang thiết bị của nhà máy tránh các điều kiện vận hành bất
thường ngoài ý muốn.

−

Bảo vệ toàn bộ trang thiết bị tránh các điều kiện ngắn mạch và chạm
đất.

−

Cung cấp khả năng phát hiện sự cố ở mọi điều kiện vận hành.

−

Cung cấp khả năng làm việc ổn định ở các điều kiện vận hành bình
thường, bất thường cũng như khi có sự cố bên ngồi hệ thống.

−

Đảm bảo sẵn sàng vận hành tối ưu và liên tục.

−

Được thực hiện dựa trên các thiết bị có độ tin cậy và độ bền cao.

−

Được thực hiện dựa trên các giải pháp được tiêu chuẩn hoá ở mức cao
nhất.

−

Thoả mãn các yêu cầu về chức năng mà khách hàng đặt ra.


10

−

Cho phép mở rộng và nâng cấp dễ dàng.

−

Đảm bảo nguyên tắc chỉ các tín hiệu được phát ra một cách chủ động
mới có khả năng điều khiển thiết bị.

−

Hạn chế ở mức cao nhất các tác động xấu do sự cố về đường truyền tín
hiệu.

Trang thiết bị của hệ thống: phải có cấu trúc module hố nhằm giảm thiểu số
lượng các bộ phận cấu thành hệ thống. Mục đích này không nhằm tối ưu các
bộ phận thiết bị được sử dụng mà để giảm tới mức thấp nhất số lượng các bộ
phận khác nhau của hệ thống, giảm module dự phòng.
Hệ thống phải được thiết kế với các bộ phận và module có giao diện
tương thích với các tiêu chuẩn công nghiệp chuyên ngành phổ biến đã được
công nhận, và phải có khả năng giao tiếp với các thiết bị tương tự của các nhà
sản xuất khác mà không cần đầu tư quá mức.
Khái niệm ''điện áp điều khiển'' phải được hiểu là điện áp cung cấp cho
các rơ le trung gian của thiết bị điều khiển, cho các đèn tín hiệu, các cuộn
đóng, cuộn cắt của đối tượng được điều khiển v.v... Điện áp điều khiển phải
được phân bố để đạt được độ an toàn cao nhất khi có sự cố mạch điện áp điều
khiển.
Hệ thống phải có khả năng duy trì hoạt động điều khiển khi điện áp
điều khiển được chủ động ngắt có kiểm sốt. Các bộ phận của hệ thống điều
khiển địi hỏi có nguồn điện áp điều khiển riêng phải có các mạch cung cấp
nguồn riêng
1.3.2. Thiết kế điều khiển
Tất cả các chức năng điều khiển của hệ thống điều khiển phải được
thực hiện bởi các bộ điều khiển khả trình trên cơ sở vi xử lý (Programmable
Logic Controller - được gọi tắt là PLC) phân bố tại các vị trí thích hợp trong


11

Nhà máy và các bộ điều khiển trung tâm (Station Controller - được gọi tắt là
SC) đặt tại phòng điều khiển Nhà máy.

Hệ thống điều khiển phải được phân cấp điều khiển như bảng 1.1, sao
cho tại điều khiển cấp dưới có khả năng khố tất cả các cấp điều khiển cao
hơn.
Bảng 1.1. Bảng phân cấp độ điều khiển trong nhà máy
Cấp “Điều khiển từ xa”

Từ phòng điều khiển miền và điều độ
quốc gia

Cấp “Điều khiển nhà máy” Đây là cấp điều khiển chủ yếu từ phòng
hay “cấp điều khiển trung điều khiển trung tâm nhà máy.
tâm”
Cấp “Điều khiển tổ máy” hay

Từ các bảng điều khiển tổ máy tại chỗ

“Điều khiển nhóm”

đặt ở gian máy

Cấp “Điều khiển tại thiết bị”

Ngay trên các đối tượng được điều khiển.

Trang thiết bị nhà máy phải có thể được điều khiển từ các trạm vận
hành đặt tại phòng điều khiển của nhà máy và tại các trung tâm điều độ quốc
gia, điều độ miền được thực hiện bằng đường truyền cáp quang.
Tổ máy phải được điều khiển từ tủ điều khiển tổ máy đặt tại sàn gian
máy và từ phòng điều khiển trung tâm nhà máy. Điều khiển tổ máy từ tủ điều
khiển tổ máy phải có thể thực hiện tự động, bán tự động và bằng tay, và từ

phòng điều khiển nhà máy phải có thể thực hiện bán tự động và tự động (phân
chia quyền cho phép). Tua bin phải có thể điều khiển được từ tủ điều khiển
tua bin đặt trên sàn gian máy và ở trung tâm điều khiển.
Trang thiết bị phụ của tổ máy phải có khả năng được điều khiển từ tủ
điều khiển tổ máy, từ phòng điều khiển trung tâm và tại chỗ.


12

Trang thiết bị hệ thống cung cấp điện tự dùng và tự dùng chung của
nhà máy phải được điều khiển từ phòng điều khiển nhà máy. Trạm phân phối
phải được điều khiển từ phòng điều khiển nhà máy. Điều khiển bằng tay phải
có thể thực hiện được từ bảng điều khiển trực quan gắn trên các tủ điều khiển
trạm phân phối đặt trong phòng điều khiển.
Nút ấn dừng máy khẩn cấp của tổ máy phải được bố trí tại sàn tua bin,
tủ điều khiển tổ máy và trên các màn hình vận hành (VDU).
1.3.3. Đặc tính hệ thống điều khiển
Trang thiết bị điều khiển phải được cung cấp đầy đủ để vận hành tồn
bộ nhà máy, được đặt trong phịng điều khiển nhà máy. Để vận hành tự động,
bán tự động và bằng tay, cần phải cung cấp các tủ điều khiển tại chỗ.
Hệ thống điều khiển tuân theo các tiêu chuẩn sau:
ISA S18. l

Các đặc điểm và trình tự cảnh báo.

ISA S5.5

Các ký hiệu thiết bị công nghệ trên màn
hình hiển thị.

NEMA PBl-197

Bảng (điện, điều khiển).

IEEE l 13 l

Bộ điều khiển lập trình.

ANSl/IEEE - STD. 10101987 Hướng dẫn điều khiển nhà máy thủy
điện.
ISA RP60

Các thiết bị điều khiển trung tâm

Đặc điểm dữ liệu thiết kế: Hệ thống điều khiển được thiết kế để vận
hành ba tổ tuabin – máy phát, các máy biến áp chính, thiết bị trạm phân phối,
hệ thống cung cấp điện tự dùng và các hệ thống phụ trợ khác của nhà máy.
1.3.4. Thiết bị bảo vệ
Khái quát:


13

Hệ thống bảo vệ trong nhà máy phải là đa chức năng và tin cậy cho các
tổ máy phát, các máy biến áp lực, trạm phân phối điện ngoài trời và hệ thống
cung cấp điện tự dùng. Đây là một hệ thống đầy đủ trên mọi phương diện với
tất cả các rơ le phụ cần thiết, các biến thế trung gian và các module cấp
nguồn. Các rơ le bảo vệ phải là loại kỹ thuật số và phải có độ tin cậy cao, kèm
theo các chức năng trọn bộ đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết. Các rơ le phải
có các đặc tính sau:

−

Tự kiểm tra, chuẩn đốn và lưu trữ thơng tin các sự cố.

−

Bàn phím phục vụ cài đặt và màn hình tinh thể lỏng để giám sát.

−

Cổng giao diện nối tiếp RS232 hoặc RS485.

−

Bộ nhớ FLASH EPROM.
Một bộ thử nghiệm cho tất cả các rơ le bảo vệ được cung cấp đồng bộ

cùng nguồn dòng, áp, các thiết bị đấu nối cần thiết phải được cung cấp để
phục vụ cơng tác, thí nghiệm hiệu chỉnh.
Hệ thống bảo vệ phải có khả năng phát hiện tất cả các dạng sự cố và tác
động để cắt bộ phận sự cố ra khỏi hệ thống trong khoảng thời gian ngắn nhất
để giảm bớt nguy hiểm do sự cố.
Hệ thống bảo vệ rơ le được thiết kế với hai hệ thống độc lập, một hệ
thống bảo vệ chính và một hệ thống bảo vệ dự phòng. Các rơ le phải được
chia thành hai nhóm sao cho có thể kiểm tra hệ thống bảo vệ mà vẫn giữ
nguyên được số lượng các chức năng bảo vệ tối thiếu làm việc tại mọi thời
điểm. Một vài loại rơ le bảo vệ chính phải có độ dự phịng kép (hai bộ bảo
vệ).
Bảo vệ các tổ máy, các máy biến áp tăng áp, các máy biến áp tự dùng,
bao gồm cả trang thiết bị phụ của tổ máy phải được lắp đặt tại dãy tủ bảo vệ

tổ máy đặt tại phòng điều khiển trung tâm. Bảo vệ thiết bị của trạm phân phối
điện ngồi trời (bao gồm thiết bị đóng cắt, hệ thống điện tự dùng) phải được