Nghiên cứu ứng dụng giao thức IEC 60870 5 104 kết nối scada từ trạm trung gian vân hồ tới trung tâm điều khiển xa
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.31 MB, 124 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LÊ SỸ NGUYÊN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIAO THỨC IEC 60870-5-104 KẾT NỐI SCADA
TỪ TRẠM TRUNG GIAN VÂN HỒ TỚI TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN XA
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN
Thái Nguyên - năm 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LÊ SỸ NGUYÊN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIAO THỨC IEC 60870-5-104 KẾT NỐI SCADA
TỪ TRẠM TRUNG GIAN VÂN HỒ TỚI TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN XA
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8.52.02.01
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Lê Tiên Phong
Thái Nguyên – năm 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép
của ai. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các
tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web
theo
danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Tác giả
Lê Sỹ Nguyên
i
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau
đại học, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo,
các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng
cho tác giả để tác giả có thể hồn thành bản luận văn của mình.
Trong q trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy, cơ giáo trong khoa Điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học
Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy
TS. Lê Tiên Phong đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tơi xin chân
thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô.
Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề
tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các
thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện hơn nữa
trong q trình công tác sau này.
Học viên
Lê Sỹ Nguyên
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
KÝ
HIỆU
VIẾT
TẮT
...................................................................................................vi DANH MỤC HÌNH
VẼ............................................................................................. viii DANH MỤC CÁC
BẢNG............................................................................................xi
MỞ
ĐẦU.........................................................................................................................1
1. Lý do lựa chọn đề tài................................................................................................1
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................................1
3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu............................................................................1
4 . Bố cục luận văn .......................................................................................................2
CHƯƠNG
1:
TỔNG
..................................................3
QUAN
VỀ
ĐIỀU
KHIỂN
XA
1.1 Đặt vấn đề ..............................................................................................................3
1.2 Trung tâm điều khiển xa và trạm biến áp không người trực..................................4
1.2.1 Phân cấp điều độ hệ thống điện Quốc gia.......................................................4
1.2.2 Mục tiêu xây dựng Trung tâm điều khiển xa ...................................................5
1.2.3 Mơ hình tổ chức Trung tâm điều khiển và định hướng phát triển...................6
1.3 Các quy định về đo lường, giám sát điều khiển các trạm biến áp không người trực
......................................................................................................................................8
1.3.1 Thành phần cơ bản của hệ thống SCADA trong hệ thống điện ......................8
1.3.2 Chức năng của hệ thống SCADA trung tâm....................................................8
1.3.3 Hệ thống SCADA tại các trạm biến áp không người trực ...............................9
1.4 Các quy định về giao thức truyền thông ..............................................................11
1.4.1 Các giao thức truyền thông ...........................................................................11
1.4.2 Tốc độ kênh truyền dữ liệu ............................................................................12
1.4.3 Giao diện kết nối kênh truyền ........................................................................13
1.4.4 Giao thức truyền tin.......................................................................................13
1.5 Truyền thông công nghiệp ...................................................................................14
1.5.1 Mạng truyền thông công nghiệp ....................................................................14
1.5.2 Cấp bậc phân cấp trong mạng truyền thông công nghiệp ............................15
3
1.5.3 Các mạng công nghiệp thường được sử dụng ...............................................17
4
1.6 Giao thức truyền thơng IEC tự động hóa trạm biến áp ........................................23
1.6.1 Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101 ..........................................................23
1.6.2 Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-104 .........................................................26
1.6.3 Nhận xét .........................................................................................................27
1.7 Đề xuất nội dung nghiên cứu ...............................................................................29
1.8 Kết luận chương 1 ................................................................................................29
CHƯƠNG 2: TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN XA CỦA ĐIỆN LỰC SƠN LA ........30
2.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................30
2.2 Hệ thống SCADA Sơn La và các trạm biến áp không người trực.......................30
2.3 Một số tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng TTĐKX ....................................................31
2.3.1 Tiêu chuẩn chung...........................................................................................31
2.3.2 Truyền thông và khả năng kết nối..................................................................32
2.3.3 Khả năng thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực ........................................33
2.3.4 Tiêu chuẩn về tính bảo mật............................................................................33
2.3.5 Tiêu chuẩn về tính sẵn sàng của hệ thống (System Availability) ..................34
2.3.6 Tiêu chuẩn về chia sẻ và mở rộng hệ thống ..................................................34
2.4 Thành phần cơ bản hệ thống SCADA Trung tâm điều khiển xa Sơn La ............35
2.4.1 Máy chủ hệ thống SCADA .............................................................................36
2.4.2 Máy chủ Camera Server ................................................................................38
2.4.3 Máy tính vận hành .........................................................................................39
2.4.4 GPS ................................................................................................................40
2.4.5 Firewall..........................................................................................................41
2.4.6 Switch 24 ports – Layer 2 ..............................................................................41
2.4.7 Sơ đồ kết nối mạng tại Trung tâm điều khiển xa ...........................................42
2.4.8 Hệ thống nguồn tại Trung tâm điều khiển xa ................................................43
2.5 Phần mềm tại trung tâm điều khiểnTrung tâm điều khiển xa Sơn La .................44
2.5.1 Giới thiêu phần mềm Spectrum Power 5......................................................47
2.5.2 Giao diện phần mềm SPECTRUM 5 ............................................................53
2.5.3 Điều khiển giám sát trong phần mềm SP5 ....................................................61
2.6 Các đặc tính kỹ thuật Hệ thống SCADA Sơn La.................................................66
2.6.1 Truyền thơng và khả năng kết nối..................................................................67
2.6.2 Tính bảo mật ..................................................................................................68
4
2.7 Mô tả kết nối phần cứng hệ thống tại các TBA 110 kV khu vực Sơn La............68
2.7.1.Nguyên tắc chung ..........................................................................................68
2.7.2 Thu thập tín hiệu thiết bị 110 kV ...................................................................70
2.7.3 Thu thập tín hiệu thiết bị trung thế ................................................................71
2.8 Kết luận chương 2 ................................................................................................71
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG GIAO THỨC IEC 60870-5-104 KẾT NỐI SCADA TỪ
TRẠM VÂN HỒ TỚI TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN XA........................................73
3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................73
3.1.1 Giới thiệu trạm biến áp trung gian Vân Hồ ..................................................73
3.1.2 Phương hướng kết nối trạm Vân Hồ đến trung tâm điều khiển xa................73
3.2 Cấu hình chuẩn IEC 60870-5-104 .......................................................................74
3.3 Thiết bị phần cứng ...............................................................................................75
3.3.1 Recloser .........................................................................................................75
3.3.2 Thiết bị chuyển mạch công nghiệp ................................................................81
3.4 Thu thập dữ liệu datalist.......................................................................................83
3.5 Cấu hình chuẩn giao thức ghép nối tại trạm Vân Hồ...........................................86
3.5.1 Giới thiệu phần mềm WSOS ..........................................................................86
3.5.2 Cấu hình thơng số truyền thơng.....................................................................88
3.6 Cấu hình thông số tại Trung tâm điều khiển xa ...................................................92
3.7 Đề xuất giải pháp thử nghiệm kết nối tại trạm Vân Hồ .......................................95
3.8 Đề xuất giải pháp điều khiển xa theo nhóm lệnh trạm Trung Gian Vân Hồ .......99
3.9 Kết luận chương 3 ..............................................................................................101
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................102
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................103
5
KÝ HIỆU VIẾT TẮT
A
1/
A
I
A
T
B
C
C
P
D
C
S
D
D
I
D
M
S
Tr
un
Tí
n
T
hi
T
hi
C
hí
D
C
STí
n
hi
Di
str
ib
E
N
E
T
E
V
Fi
re
w
al
l
G
P
H
M
H
T
I
C
C
I
E
D
L
A
L
B
M
C
uti
M
á
C
ơn
Tậ
p
H
ệ
th
ốn
T
hi
Gi
ao
H
ệ
In
ter
C
In
tel
ig
M
ạn
C
ầu
M
á
vi
N
V
O
M
P
C
P
L
C
P
S
R
C
R
ec
R
T
U
/
G
at
e
w
S
C
A
S
D
I
N
h
H
ệ
C
ơ
P
r
o
M
á
T
í
M
á
T
h
i
ế
t
b
S
u
p
T
í
n
S
P
T
B
T
T
T
T
U
P
W
D
P
h
T
r
T
r
T
h
H
ệ
M
á
vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Mơ hình tổ chức điều khiển lưới điện phân phối ............................................5
Hình 1. 2 Mơ hình tổ chức điều khiển lưới điện phân phối ............................................6
Hình 1. 3 Nhiệm vụ Trung tâm điều khiển......................................................................7
Hình 1. 4 Sơ đồ khối chức năng và các kết nối đến RTU .............................................10
Hình 1. 5 Sơ đồ cấu trúc thu thập và truyền thơng........................................................11
Hình 1. 6 Phân cấp mạng truyền thơng cơng nghiệp.....................................................15
Hình 1. 7 Ứng dụng truyền thơng nối tiếp.....................................................................17
Hình 1. 8 Ứng dụng truyền thơng Modbus ...................................................................18
Hình 1. 9 Ứng dụng truyền thơng HART......................................................................19
Hình 1. 10 Ứng dụng truyền thơng Device net .............................................................20
Hình 1. 11 Ứng dụng truyền thơng HART....................................................................21
Hình 1. 12 Ứng dụng truyền thơng Proflbus .................................................................21
Hình 1. 13 Ứng dụng truyền thơng Foundation Fieldbus..............................................23
Hình 1. 14 Phương thức kết nối truyền thơng theo IEC 60870-5-101 ..........................24
Hình 1. 15 Phương thức kết nối truyền thông theo IEC 60870-5-104 ..........................26
Hình 2. 1 Cấu trúc SCADA tại Điện lực Sơn La ..........................................................31
Hình 2. 2 Sơ đồ cấu trúc kết nối phần cứng tại TTĐKX Sơn La ..................................35
Hình 2. 3 Cấu trúc SCADA trung tâm điều khiển.........................................................35
Hình 2. 4 Sơ đồ kết nối các thiết bị mạng tại TTĐKX..................................................42
Hình 2. 5 Sơ đồ chi tiết các cổng kết nối mạng tại trung tâm .......................................42
Hình 2. 6 Nguồn cung cấp cho hệ thống SCADA.........................................................43
Hình 2. 7 Máy chủ trung tâm điều khiển xa ..................................................................47
Hình 2. 8 Giới thiệu SPECTRUM 5..............................................................................47
Hình 2. 9 Lĩnh vực hoạt động SPECTRUM 5...............................................................48
Hình 2. 10 Kiểm sốt thiết bị của phần mềm SPECTRUM 5 .......................................48
Hình 2. 11 Cơng cụ của phần mềm SPECTRUM 5 ......................................................49
Hình 2. 12 Thông số vận hành phần mềm SPECTRUM 5............................................49
8
Hình 2. 13 Hỗ trợ vận hành phần mềm SPECTRUM 5 ................................................50
Hình 2. 14 Hỗ trợ nhiều kịch bản phần mềm SPECTRUM 5 .......................................50
Hình 2. 15 Dự báo nhu cầu phụ tải trên phần mềm SPECTRUM 5 .............................50
Hình 2. 16 Giao thức truyền thông hỗ trợ phần mềm SPECTRUM 5 ..........................51
Hình 2. 17 Kiến trúc phần mềm SPECTRUM 5 ...........................................................51
Hình 2. 18 Giao diện đang nhập hệ thống .....................................................................55
Hình 2. 19 Giao diện đang xuất hệ thống......................................................................56
Hình 2. 20 Thanh cơng cụ PAT.....................................................................................56
Hình 2. 21 Sơ đồ lưới điện 110 khu vực Sơn La...........................................................60
Hình 2. 22 Hộp thoại điều khiển đóng cắt.....................................................................61
Hình 2. 23 Hộp thoại điều khiển bước lên/xuống .........................................................62
Hình 2. 24 Hộp thoại Hộp thoại kiểm sốt điểm đặt .....................................................63
Hình 2. 25 Điều kiện liên động .....................................................................................65
Hình 2. 26 Sơ đồ kết nối truyền thông tại trạm biến áp khơng người trực ...................69
Hình 2. 27 Các chuẩn giao tiếp trong trạm biến áp khơng người trực ..........................69
Hình 2. 28 Giao diện Gateway ZENON tại trạm ..........................................................70
Hình 2. 29 Bộ chuyển đổi RS232-RS485/Ethernet .......................................................71
Hình 3. 1 Sơ đồ nối điện chính trạm biến áp trung gian Vân Hồ..................................73
Hình 3. 2 Mơ hình ghép nối trạm biến áp trung gian Vân Hồ.......................................74
Hình 3. 3 Lưu đồ ghép nối trạm biến áp trung gian Vân Hồ.........................................74
Hình 3. 4 Bố trí thiết bị phần cứng tủ điều khiển ADVC Controller ............................78
Hình 3. 5 Cổng truyền thơng của tủ điều khiển ADVC3 ..............................................78
Hình 3. 6 Giao diện công RJ 45 trên tủ điều khiển AVDC 3........................................79
Hình 3. 7 Thứ tự sắp xếp hạt mạng RJ45 ......................................................................80
Hình 3. 8 Chuẩn bấm dây mạng theo quốc tế ...............................................................81
Hình 3. 9 Ngun tắc thu thập thơng số máy cắt trung gian Vân Hồ ...........................88
Hình 3. 10 Giao diện phần mềm WSOS........................................................................88
Hình 3. 11 Tạo mới thiết bị trên phần mềm WSOS 5 ...................................................89
Hình 3. 12 Kích hoạt truyền thông IEC 60870-5/101/104 ............................................89
9
Hình 3. 13 Cấu hình thơng số cổng truyền thơng..........................................................90
Hình 3. 14 Cấu hình thơng số các địa chỉ IOA..............................................................90
Hình 3. 15 Cấu hình thơng số truyền thơng ..................................................................91
Hình 3. 16 Kích hoạt tín hiệu trạng thái 1 bit (SDI)......................................................91
Hình 3. 17 Lựa chọn và kích hoạt tín hiệu đo lường (AI) .............................................92
Hình 3. 18 Lựa chọn và kích hoạt tín hiệu điều khiển (DDI)........................................92
Hình 3. 19 Cấu hình thơng số thiết bị đầu cuối .............................................................93
Hình 3. 20 Cấu hình tín hiệu DO (điều khiển thiết bị) ..................................................93
Hình 3. 21 Cấu hình tín hiệu AI (thơng số đo lường) ...................................................94
Hình 3. 22 Cấu hình tín hiệu SI .....................................................................................94
Hình 3. 23 Tạo sơ đồ 1 sợi trên Spectrum 5..................................................................95
Hình 3. 24 Phần mềm IEC-Test ....................................................................................97
Hình 3. 25 Kết nối thành cơng trên Spectrum 5 ............................................................98
Hình 3. 26 Giám sát và điều khiển thiết bị trên Spectrum 5 .........................................98
Hình 3. 27 Giao diện cấu hình chung chuyển đổi nhóm bảo vệ....................................99
Hình 3. 28 Giao diện cấu hình chuyển đổi nhóm bảo vệ chế độ song song................100
Hình 3. 29 Giao diện cấu hình chuyển đổi nhóm bảo vệ chế độ độc lập ....................100
10
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1 Kiến trúc hiệu suất nâng cao của IEC 60870-5-101 .....................................23
Bảng 1. 2 Phân loại tín hiệu dùng trong IEC 60870-5-101 ...........................................25
Bảng 1. 3 Mơ hình tham chiếu kết nối của IEC 60870-5-104.......................................26
Bảng 1. 4 Bảng phân loại tín hiệu dùng trong IEC 60870-5-104..................................27
Bảng 2. 1 Cấu hình máy chủ SCADA ...........................................................................37
Bảng 2. 2 Cấu hình máy chủ PSOS...............................................................................37
Bảng 2. 3 Cấu hình máy chủ Camera Server.................................................................38
Bảng 2. 4 Cấu hình máy tính vận hành .........................................................................40
Bảng 2. 5 Cấu hình GPS................................................................................................40
Bảng 2. 6 Thơng số Firewall .........................................................................................41
Bảng 2. 7 Thông số Switch 24 ports – Layer 2 .............................................................41
Bảng 2. 8 Thông số máy phát ........................................................................................44
Bảng 2. 9 Thơng số UPS ...............................................................................................44
Bảng 2. 10 Chú thích ký hiệu thanh công cụ PAT ........................................................59
Bảng 2. 11 Quy định màu điện áp .................................................................................60
Bảng 3. 1 Chức năng các cổng truyền thông của tủ điều khiển ADVC3 ......................79
Bảng 3. 2 Tín hiệu trạng thái 1 bit (SDI).......................................................................83
Bảng 3. 3 Dữ liệu trạng thái 2 bit (DDI) .......................................................................84
Bảng 3. 4 Bảng dữ liệu thông số đo lường (AI) ............................................................85
Bảng 3. 5 Tín hiệu điều khiển (RC) ..............................................................................85
Bảng 3. 6 Sai số đo lường..............................................................................................96
Bảng 3. 7 Chỉ thị trạng thái ...........................................................................................96
11
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Lưới điện phân phối nói chung và của tỉnh Sơn La nói riêng ngày càng được mở
hiện đại hóa và mở rộng. Yêu cầu chất lượng điện năng cũng như độ tin cậy cung cấp
điện ngày càng được nâng cao.
Chính vì vậy mà công tác vận hành lưới điện phân phối sẽ gặp nhiều khó khăn, để
đáp ứng u cầu đó thì số lượng nhân viên vận hành tăng lên, việc giám sát hoạt động
của lưới sẽ trở nên phức tạp…, yêu cầu phải có sự hỗ trợ của hệ thống thiết bị công
nghệ tự động, đo lường giám sát và điều khiển từ xa.
Căn cứ theo tình hình những thiết bị hiện đại đã được đầu tư tại Trung tâm điều
khiển xa Sơn La cũng như các thiết bị thông minh đã được trang bị tại Trạm trung gian
Vân Hồ nhận thấy có thể ghép nối với nhau tạo thành mạng lưới thông tin điều độ
xuyên suốt và thống nhất, việc ứng dụng hệ thống SCADA vào công tác vận hành
điều độ hệ thống điện sẽ đem lại hiệu quả rất cao như:
- Nâng cao tự động hóa tại trạm biến áp không người trực Sơn La.
- Thu thập dữ liệu đo lường trạng thái tại các trạm biến áp không người trực.
- Điều khiển, chuyển đổi các chế độ vận hành trạm biến áp không người trực.
- Hiển thị thông số theo thời gian thực.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là dựa trên cơ sở hệ thống SCADA đã được đưa
vào vận hành tại Trung tâm điều khiển xa Công ty Điện lực Sơn La để nghiên cứu,
thực hiện ghép nối, điều khiển Trạm Trung gian Vân Hồ, dựa trên các đặc tính kỹ thuật
của thiết bị, cấu hình xây dựng trong hệ thống Scada. Từ đó, đề tài đưa ra đánh giá,
phân tích giải pháp kỹ thuật cho q trình thực hiện.
3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Để phân tích, đánh giá được cách thức làm việc cũng như đặc tính kĩ thuật của
các thiết bị kết nối, truyền dẫn và nghiên cứu thực hiện ghép nối Trạm Trung gian Vân
Hồ, luận văn sẽ thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Nghiên cứu, phân tích giải pháp kỹ thuật hệ thống SCADA tại TTĐK được lắp
đặt tại Công ty Điện lực Sơn La.
1
- Nghiên cứu các thiết bị được lắp đặt trong tại trạm Trung gian Vân Hồ.
- Nghiên cứu, phân tích giao thức truyền thông IEC 61580 -5-104 và khả năng
đáp ứng kết nối về TTĐKX.
- Đánh giá và ứng dụng các chức năng của hệ thống SCADA, thực hiện ghép nối
Trạm Trung gian Vân Hồ trên lưới vào TTĐKX phục vụ công tác giám sát vận hành hệ
thống điện tại TTĐKX.
4 . Bố cục luận văn
Về mặt bố cục luận văn được chia ra thành 3 chương.
Chương 1: Tổng quan về điều khiển xa.
Chương 2: Trung tâm điều khiển xa Sơn La.
Chương 3: Ứng dụng giao thức IEC 60870-5-104 kết nối SCADA từ trạm Vân Hồ
tới Trung tâm điều khiển xa.
Kết luận chung của luận văn.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN XA
1.1 Đặt vấn đề
Trong cấu hình của Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập số liệu SCADA
(Supervisory, Control and Data Acquistion), việc giám sát, điều khiển và thu thập số
liệu của mạng lưới điện do trung tâm điều độ Hệ thống điện quốc gia và trung tâm điều
độ các điện lực tỉnh đảm nhận.
SCADA là một hệ thống thống nhất bao gồm các thiết bị thu thập số liệu đầu cuối ,
hệ thống máy tính chủ trung tâm, các kênh truyền tin truyền số liệu giữa máy chủ và
các thiết bị thu thập số liệu đầu cuối như cáp quang, viba số v.v..
Mỗi thiết bị thu thập số liệu đầu cuối - thiết bị đo xa (RTU - Remote Terminal
Unit) bao gồm khối xử lý trung tâm (CPU), và các vỉ thu thập số liệu, vỉ giám sát,
khối các MODEM. RTU làm nhiệm vụ thu thập số liệu và truyền số liệu thu thập được
qua các hệ thống thông tin tới hệ thống máy tính chủ trung tâm.
Hệ thống máy tính chủ trung tâm làm nhiệm vụ thu thập số liệu của tồn bộ hệ
thống
RTU, xử lý thơng tin và sau đó ra lệnh điều khiển tương ứng tới các trạm.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và ứng dụng của các hệ thống thông
tin đo lường điều khiển xa, hệ thống SCADA quản lý hệ thống điện thuộc Công ty
Điện lực Sơn La cần phải thực hiện ghép nối trạm biến áp trung gian Vân Hồ (sau đây
gọi tắt là trạm Vân Hồ) với những mục tiêu sau:
+ Thu thập dữ liệu vận hành trạm Vân Hồ theo thời gian thực.
+ Điều khiển thiết bị, chuyển đổi nhóm bảo vệ.
+ Lưu trữ trích xuất dữ liệu khi cần thiết phục vụ vận hành trạm biến áp trung gian
Vân Hồ.
Chính vì vậy, những nội dung tiếp theo sẽ đề cập đến các vấn đề có liên quan đến
điều khiển xa trong hệ thống điện.
1.2 Trung tâm điều khiển xa và trạm biến áp không người trực
1.2.1 Phân cấp điều độ hệ thống điện Quốc gia
Phân cấp điều độ hệ thống điện (HTĐ) quốc gia Điều độ hệ thống điện quốc gia
được phân thành 03 cấp chính sau:
- Cấp điều độ quốc gia là cấp chỉ huy, điều độ cao nhất trong công tác điều độ hệ
thống điện quốc gia. Cấp điều độ quốc gia do Trung tâm Điều độ hệ thống điện quốc
gia đảm nhiệm.
- Cấp điều độ miền là cấp chỉ huy, điều độ hệ thống điện miền, chịu sự chỉ huy
trực tiếp của Cấp điều độ quốc gia. Cấp điều độ miền do các Trung tâm Điều độ hệ
thống điện miền Bắc, Trung tâm Điều độ hệ thống điện miền Nam và Trung tâm Điều
độ hệ thống điện miền Trung đảm nhiệm.
- Cấp điều độ phân phối :
+ Cấp điều độ phân phối tỉnh là cấp chỉ huy, điều độ hệ thống điện phân phối trên
địa bàn tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương, chịu sự chỉ huy trực tiếp về điều độ của
Cấp điều độ miền tương ứng. Cấp điều độ phân phối tỉnh do đơn vị điều độ trực thuộc
Tổng công ty Điện lực Thành phố Hà Nội, Tổng cơng ty Điện lực Thành phố Hồ Chí
Minh và các Công ty Điện lực tỉnh đảm nhiệm;
+ Cấp điều độ phân phối quận, huyện là cấp chỉ huy điều độ hệ thống điện phân
phối quận, huyện trên địa bàn tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương, chịu sự chỉ huy
trực tiếp về điều độ của Cấp điều độ phân phối tỉnh. Tùy theo quy mô lưới điện phân
phối tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương, cơ cấu tổ chức, mức độ tự động hóa và nhu
cầu thực tế, các Tổng công ty Điện lực lập đề án thành lập cấp điều độ phân phối quận,
huyện trình Tập đồn Điện lực Việt Nam phê duyệt [1], [2], [3], [4].
Mơ hình phân cấp điều khiển được mơ tả trên Hình 1. 1.
Hình 1. 1 Mơ hình tổ chức điều khiển lưới điện phân phối
1.2.2 Mục tiêu xây dựng Trung tâm điều khiển xa
- Áp dụng các giải pháp tự động hóa lưới điện phân phối để giảm số lượng nhân
viên vận hành tại các trạm biến áp, nâng cao năng suất lao động.
- Nâng cao độ tin cậy, an toàn và ổn định trong cung cấp điện, đáp ứng tốt hơn yêu
cầu của khách hàng sử dụng điện.
- Nâng cao năng lực đội ngũ nhân viên quản lý và nhân viên vận hành hệ thống
điện. Đặc biệt, đối với đội ngũ cán bộ trực tiếp quản lý các hệ thống SCADA và hệ
thống điều khiển tích hợp trạm biến áp 110 kV.
- Làm chủ công nghệ, tiến tới không phụ thuộc nhà cung cấp phần mềm của hệ
thống.
- Xây dựng kế hoạch, lộ trình thực hiện các nội dung cơng việc liên quan để tiến
tới thành lập các Trung tâm điều khiển xa (TTĐKX) và phấn đấu chuyển toàn bộ các
trạm biến áp 110 kV trên lưới điện miền Bắc sang chế độ vận hành không người trực
[16], [18].
1.2.3 Mơ hình tổ chức Trung tâm điều khiển và định hướng phát triển
Tại mỗi tỉnh/thành phố, xây dựng 1 trung tâm điều khiển (TTĐK) đặt tại phịng
Điều độ Cơng ty Điện lực có chức năng vừa giám sát, thu thập dữ liệu, điều khiển lưới
điện 110 kV, vừa giám sát, thu thập dữ liệu, điều khiển lưới điện phân phối. TTĐK
phải hình thành trước để kết nối các trạm biến áp 110 kV với TTĐK để chuyển các
trạm biến áp 110 kV sang vận hành không người trực. Tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng
thiết bị công nghệ hiện có và phát huy khả năng tự thực hiện để làm chủ cơng nghệ.
Mơ hình tổ chức điều khiển lưới điện phân phối được mơ tả trên Hình 1. 2. [16], [18],
[15].
Hình 1. 2 Mơ hình tổ chức điều khiển lưới điện phân phối
- Trung tâm điều khiển là trung tâm được trang bị cơ sở hạ tầng công nghệ thơng
tin, viễn thơng để có thể giám sát, thao tác từ xa các thiết bị trong một nhóm nhà máy
điện, nhóm trạm biến áp hoặc các thiết bị đóng cắt trên lưới điện theo lệnh điều độ của
cấp điều độ có quyền điều khiển đối với các thiết bị thuộc TTĐK. Quyền, trách nhiệm
và nhiệm vụ của nhân viên vận hành TTĐK được quy định chi tiết trong Thông tư
40/2014/TT-BCT Quy định quy trình điều độ HTĐ Quốc gia.
-Điều độ viên lưới điện phân phối thuộc các công ty điện lực trực tiếp thực hiện
thao tác xa các thiết bị trong trạm biến áp 110 kV và trên lưới điện trung áp trong phạm
vi một tỉnh/thành phố. Số lượng điều độ viên trong mỗi ca trực cần xem xét đến các
tình huống vận hành khó khăn khi sự cố diện rộng gây mất điện nhiều trạm biến áp 110
kV
với mục tiêu đảm bảo thời gian thao tác và xử lý sự cố của các nhân viên vận hành
trong q trình khơi phục lại lưới điện khu vực.
- Tổ chức đội thao tác lưu động (TTLĐ): là đội thao tác trực thuộc các Đội quản
lý vận hành lưới điện cao thế (đối với lưới điện 110 kV) hoặc các Công ty Điện lực
tỉnh (đối với lưới điện trung áp) được bố trí theo từng cụm trạm điện hoặc thiết bị
đóng cắt trên lưới điện. TTLĐ chịu trách nhiệm thực hiện các nhiệm vụ sau:
+ Thực hiện các thao tác khơng thực hiện được từ xa trong tình huống vận hành
bình thường và xảy ra sự cố theo yêu cầu của TTĐK;
+ Hỗ trợ xử lý sự cố khi cần thiết;
+ Thực hiện công tác vệ sinh công nghiệp và kiểm tra định kỳ các thiết bị trong
trạm biến áp và trên lưới điện;
+ Thực hiện các biện pháp an tồn và giao nhận hiện trường cho các nhóm cơng
tác tại TBA hoặc trên lưới điện, trực tại hiện trường trong thời gian có nhóm cơng tác.
Nhiệm vụ của TTĐK được mơ tả trên Hình 1. 3.
Hình 1. 3 Nhiệm vụ Trung tâm điều khiển
1.3 Các quy định về đo lường, giám sát điều khiển các trạm biến áp không người
trực
1.3.1 Thành phần cơ bản của hệ thống SCADA trong hệ thống điện
Hệ thống SCADA trong HTĐ bao gồm nhiều thành phần cấu thành có thể phân
chia như sau:
- Hệ thống SCADA trung tâm;
- Hệ thống kênh truyền;
- Thiết bị đầu cuối RTU/Gateway;
- Các thiết bị phụ trợ khác.
Hệ thống SCADA trung tâm lắp đặt tại các Cấp điều độ có quyền điều khiển bao
gồm các thiết bị phần cứng cơ bản như Máy chủ SCADA có chức năng thu thập, lưu
trữ các dữ liệu thời gian thực bao gồm các sự kiện, tín hiệu trạng thái, tín hiệu đo lường
và chạy các ứng dụng SCADA; Máy chủ cơ sở dữ liệu quá khứ có chức năng lưu trữ
các dữ liệu sự kiện theo thứ tự, các dữ liệu trạng thái và đo lường theo chu kỳ thời
gian. Cơ sở dữ liệu quá khứ được sử dụng để tính tốn, mơ phỏng và phân tích hệ
thống điện; Máy chủ ứng dụng có chức năng chạy các ứng dụng trong hệ thống EMS
hoặc DMS; Máy chủ truyền thơng có chức năng kết nối các hệ thống SCADA trung
tâm với nhau, hệ thống SCADA trung tâm với Trung tâm điều khiển và các thiết bị đầu
cuối RTU/Gateway tại nhà máy điện hoặc trạm điện; Màn hình hiển thị sơ đồ và các
thông số vận hành của hệ thống điện; Máy tính giao diện người và máy HMI có chức
năng giám sát, điều khiển thời gian thực; Thiết bị định vị GPS có chức năng hỗ trợ
đồng bộ thời gian các thiết bị trong hệ thống SCADA trung tâm; Các thiết bị hỗ trợ về
công nghệ thông tin, truyền thông và thiết bị phụ trợ khác.
Hệ thống kênh truyền có chức năng kết nối các hệ thống SCADA trung tâm với
nhau, kết nối hệ thống SCADA trung tâm với Trung tâm điều khiển và các thiết bị đầu
cuối RTU/Gateway tại nhà máy điện hoặc trạm điện [6], [14], [15].
1.3.2 Chức năng của hệ thống SCADA trung tâm
Hệ thống SCADA trung tâm bao gồm các chức năng cơ bản như Thu thập dữ liệu
thời gian thực về các giá trị đo lường, thông số và trạng thái vận hành của các thiết bị
trên hệ thống điện, trong đó dữ liệu và thời gian thu thập dữ liệu phải được xác định,
đồng bộ và lưu trữ; Giám sát thời gian thực hệ thống điện (giám sát sự thay đổi trạng
thái, giám sát giá trị tới hạn của hệ thống điện; giám sát trình tự sự kiện, phân loại, xử
lý dữ liệu, xử lý sự kiện và cảnh báo); Điều khiển các thiết bị trên hệ thống điện (Điều
khiển đóng cắt, Điều khiển tăng, giảm,Điều khiển thay đổi các giá trị đã được Cấp điều
độ có quyền điều khiển cài đặt); Lưu trữ dữ liệu thời gian thực thu thập được để chạy
các ứng dụng xử lý và phân tích vận hành hệ thống điện; Hiển thị giao diện đồ họa trực
quan trên một hoặc nhiều máy tính (Sơ đồ 1 sợi của hệ thống điện có khả năng cập
nhật liên tục giá trị điện áp, trào lưu công suất, trạng thái vận hành của máy cắt, dao
cách ly và các thiết bị khác trên hệ thống điện; Các giá trị đo lường trên hệ thống điện;
Các thông số cài đặt trên hệ thống điện; Tổng hợp các sự cố trên hệ thống điện và các
cảnh báo) [6], [14], [15].
Đối với các hệ thống điện có quy mơ lớn và phức tạp, để đáp ứng công tác điều
độ, vận hành hệ thống điện, hệ thống SCADA trung tâm phải có thêm một số chức
năng sau: Giám sát xu hướng hệ thống điện; Tổng hợp, phân tích dữ liệu để phục vụ
cơng tác lập kế hoạch, nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện; Hiển thị giao diện đồ
họa trực quan trên một hoặc nhiều máy tính (Các dao động trên hệ thống điện; Xu
hướng thay đổi của hệ thống điện); Tự động thực hiện các thao tác trên hệ thống điện
theo phương thức vận hành đã được duyệt [6], [14], [15].
1.3.3 Hệ thống SCADA tại các trạm biến áp không người trực
Tại các trạm biến áp lắp, lắp đặt bộ thu thập dữ liệu, thiết bị này được gọi là
RTU. RTU có chức năng thu thập dữ liệu cần thiết trong trạm biến áp rồi gửi về trung
tâm điều khiển, và nhận các lệnh điều khiển từ trung tâm điều khiển sau đó thực thi
lệnh đến thiết bị trong TBA như mô tả trên Hình 1. 4.
Hình 1. 4 Sơ đồ khối chức năng và các kết nối đến RTU
Trong quá trình vận hành, trạm biến áp phải đảm bảo kết nối đầy đủ tín hiệu
SCADA về cấp điều độ có quyền điều khiển theo danh sách sau:
Tín hiệu trạng thái SDI, DDI:
Tín hiệu trạng thái DDI bao gồm tất cả các tín hiệu của máy cắt, dao cách ly, dao
tiếp địa;
Tín hiệu trạng thái SDI bao gồm các tín hiệu cảnh báo, tín hiệu tác động của rơ le
bảo vệ, tín hiệu báo chế độ điều khiển, tín hiệu vận hành.
Tín hiệu đo lường AI:
Đối với thanh cái: Tần số (Hz), điện áp (kV);
Đối với máy biến áp: Công suất tác dụng (MW), cơng suất phản kháng (MVAr),
điện áp (kV), cường độ dịng điện (A) ở các cấp điện áp khác nhau của máy biến áp,
nấc máy biến áp;
Đối với lộ đường dây, máy cắt liên lạc: Công suất tác dụng (MW), công suất phản
kháng (MVAr), cường độ dịng điện (A).
Tín hiệu RC:
Đối với máy cắt, dao cách ly: Tín hiệu điều khiển dạng đóng, mở;
Đối với bộ đổi nấc phân áp máy biến áp: Tín hiệu điều khiển dạng tăng, giảm [6],
[14], [15].
1.4 Các quy định về giao thức truyền thông
1.4.1 Các giao thức truyền thông
Để các thiết bị trao đổi được dữ liệu với nhau các thủ tục truyền tin sau đây bắt
buộc phải áp dụng trong hệ thống SCADA và các TTĐK:
- Thủ tục theo tiêu chuẩn IEC 60870-5-101 áp dụng để kết nối thiết bị đầu cuối
(RTU hoặc Gateway) đến TTĐK khi sử dụng kênh truyền theo hình thức điểm tới điểm
(Point to Point).
- Thủ tục theo tiêu chuẩn IEC 60870-5-104 áp dụng để kết nối giữa thiết bị đầu
cuối (RTU hoặc Gateway) và TTĐK hoặc giữa TTĐK và trung tâm Điều độ khi sử
dụng mạng IP làm kênh truyền.
- Thủ tục theo tiêu chuẩn IEC 60870-6-503 hay còn gọi là TASE.2 hoặc ICCP
(Intercontrol Center Communication Protocol) áp dụng để kết nối giữa 2 hệ thống
SCADA hoặc giữa TTĐK với trung tâm Điều độ.
Tiêu chuẩn IEC 61850 áp dụng để trao đổi thông tin giữa RTU/Gateway với các
thiết bị điện tử thông minh (IED- Inteligent Electronic Divice) trong trạm biến áp, nhà
máy điện.
- Tiêu chuẩn IEC 61968 (CIM- Common Interface Model) áp dụng để tạo giao
diện trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống phần mềm.
Cấu trúc thu thập dữ liệu vận hành và truyền thông được mô tả trên Hình 1. 5.
Hình 1. 5 Sơ đồ cấu trúc thu thập và truyền thông
