Nghiên cứu lựa chọn giải pháp thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển giám sát cho Nhà máy thuỷ điện có công suất lớn trên 1000MW

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------BÙI HUY TOÀN

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ XÂY
DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO NHÀ
MÁY THỦY ĐIỆN CĨ CƠNG SUẤT LỚN TRÊN 1000MW

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Bộ môn: Điều khiển tự động

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS Hoàng Minh Sơn

Hà Nội – Năm 2010

1


MỤC LỤC
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Vài nét về phát triển thủy điện ở Việt Nam ..............................................8
1.2

Năng lượng của dòng nước và khả năng sử dụng ....................................8

1.3

Phân loại nhà máy thủy điện ....................................................................12

1.3.1. Nhà máy thuỷ điện kiểu đập .....................................................................12

1.3.2 Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn ............................................................14
1.3.3
1.4

Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp .........................................................16

Các cơng trình và thiết bị chính của Nhà máy thủy điện ......................19

Chương 2: CÁC YÊU CẦU, TIÊU CHUẨN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN
THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHÀ MÁY THỦY
ĐIỆN CĨ CƠNG SUẤT LỚN TRÊN 1000MW ..................................................20
2.1 Các yêu cầu, tiêu chuẩn đối với hệ thống điều khiển giám sát NMTĐ có
cơng suất lớn trên 1000MW ................................................................................20
2.1.1 Các yêu cầu, tiêu chuẩn chung đối với hệ thống điều khiển giám sát
NMTĐ 20
2.1.2

Các u cầu, tiêu chuẩn riêng cho NMTĐ có cơng suất lớn ................21

2.2

Phương án cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra tập trung
27

2.3

Phương án cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra phân tán
29

2.4 Phương án thiết kế với cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán với vào

ra tập trung...........................................................................................................31
2.5 Phương án thiết kế với cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán với vào
ra phân tán ...........................................................................................................32
2.6

Đánh giá ưu nhược điểm của các phương án..........................................48

Chương 3: CẤP ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
CĨ CƠNG SUẤT LỚN TRÊN 1000MW .............................................................50
3.1 Cấp điều khiển tại phòng điều khiển trung tâm Nhà máy ........................51
3.2 Cấp điều khiển nhóm.....................................................................................53
Chương 4: ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỔ MÁY ..........................57
4.1 Điều khiển phân bố công suất tác dụng của máy phát ..............................57
4.2 Điều khiển phân bố công suất phản kháng của máy phát .........................57

2


4.3 Xây dựng biểu đồ công suất vận hành ngày của NMTĐ bằng phương
pháp số ..................................................................................................................58
Chương 5: ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY .................................................................61
5.1 Điều tiết dòng chảy theo nhu cầu điều chỉnh công suất NMTĐ ................61
5.2 Phân loại điều tiết ..........................................................................................62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................67
Phụ lục 1: Dự kiến các tín hiệu đầu vào ................................................................69
Phụ lục 2: Danh sách các tín hiệu đầu ra ..............................................................73
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................83

3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
v1

Vận tốc của dòng chảy tại mặt cắt I-I

p1

Áp suất trung bình của dịng chảy tại
mặt cắt I-I

g = 9,81 m/sec2

Gia tốc rơi tự do bởi trọng trường.

α1

Hệ số hiệu chỉnh kể đến sự phân bố
không đều của dịng chảy trên mặt

ω

Diện tích mặt cắt ngang của dịng chảy

u

Là vận tốc tại vi phân diện tích dω

v

Vận tốc trung bình

Q

Lưu lượng nước chảy qua NMTĐ

η

Hiệu suất chung của NMTĐ

ηT

Hiệu suất của tua bin nước kể cả đến tổn
thất năng lượng đường ống

ηF

Hiệu suất của máy phát

𝑎𝑎1

Khoảng dự trữ an toàn chống bùn cát
đáy kéo vào cửa nhận nước
Khoảng dự trữ an tồn chống phát sinh

𝑎𝑎2

phễu xốy khí.

4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình1.1: Sơ đồ tính tốn tiềm năng dịng sơng
Hình 1.2: Sơ đồ nhà máy kiểu thân đập
Hình 1.3: Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn
Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra tập trung
Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra phân tán
Hình 2.3: Cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán với vào ra tập trung
Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán với vào ra phân tán
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán gồm đủ các cấp điều khiển
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc hệ thống cấp điều khiển nhóm cho tổ máy
Hình 2.7:Sơ đồ cấu trúc hệ thống cấp điều khiển nhóm cho đập tràn cửa nhận nước
Hình 3.1: Cấu hình cấp điều khiển nhóm
Hình 3.2 Sự chuyển đổi qua lại giữa những Cell controller dự phịng
Hình 5.1 a : Biểu đồ thủy văn
Hình 5.1b: Nhu cầu phụ tải ngày
Hình 5.2: Điều chỉnh cơng suất NMTĐ theo phần đỉnh của biểu đồ phụ tải tổng hệ
thống
Hình 5.3 Điều chỉnh cơng suất NMTĐ, điều tiết tuần
Hình 5.4: Điều tiết năm
Hình 5.5: Điều tiết nhiều năm

5


MỞ ĐẦU
Căn cứ quyết định số 110/2007/QĐ-TTg V/v Phê duyệt Quy hoạch phát triển
điện lực quốc gia giai đoạn 2006-2015 có xét đến năm 2025, theo đó để đáp ứng
nhu cầu phát triển kinh tế xã hội của cả nước với mức tăng GDP khoảng 8,5%-9%

năm và cao hơn thì dự báo nhu cầu điện nước ta tăng ở mức 17% năm (phương án
cơ sở), 20% năm (phương án cao) trong giai đoạn 2006-2015, trong đó phương án
cao là phương án điều hành, chuẩn bị phương án 22% năm cho trường hợp tăng
trưởng đột biến.
Chính vì thế việc tìm ra và phát triển các nguồn điện mới là rất cấp bách, việc
phát triển nguồn điện mới phải tính tốn với các phương án đầu tư chiều sâu và đổi
mới công nghệ các nhà máy đang vận hành; sử dụng công nghệ hiện đại đối với các
nhà máy điện mới để đảm bảo việc vận hành an tồn tuyệt đối, khơng những đáp
ứng nhu cầu về năng lượng, điều tiết lũ, thủy lợi, an tồn mơi trường mà cịn bảo
đảm an ninh quốc gia.
Để đáp ứng được các yêu cầu trên thì việc lựa chọn giải pháp thiết kế và xây
dựng hệ thống điều khiển, giám sát cho Nhà máy thủy điện là rất quan trọng, là yếu
tố đảm bảo tính vận hành an toàn, hiệu quả
Từ trước đến giờ việc nghiên cứu lựa chọn giải pháp thiết kế và xây dựng hệ
thống điều khiển giám sát cho Nhà máy thủy điện rất hạn chế (chủ yếu là thủy điện
nhỏ 2-4MW, trình tự lựa chọn thiết kế, cơng nghệ chưa rõ ràng, chưa thực hiện
được việc điều khiển giám sát Nhà máy tại các trung tâm điều độ, chưa thực hiện
được việc có khả năng kết nối tới các Nhà máy khác, chưa thực hiện được việc điều
khiển tối ưu công suất các tổ máy…)
Tại Kỳ họp thứ 6, Quốc hội khóa XII tháng 11 năm 20009, Quốc hội đã chính
thức thơng qua việc xây dựng Thủy điện Lai châu có cơng suất 1200MW.
Chính vì thế đề tài Nghiên cứu lựa chọn giải pháp thiết kế và xây dựng hệ
thống điều khiển, giám sát cho Nhà máy thủy điện có cơng suất lớn trên 1000MW
có tính khoa học và thực tế rất cao.

6


Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã nhận được sự chỉ dẫn tận tình về kiến
thức và sự chia sẻ về những kinh nghiệm quý báu của thầy giáo PGS.TS Hoàng

Minh Sơn. Tác giả một lần nữa xin chân thành cám ơn thầy và mong mỏi nhận được
sự góp ý của các thầy cơ và các bạn đồng nghiệp để hoàn thiện hơn.

7


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Vài nét về phát triển thủy điện ở Việt Nam
Tính đến năm 1954 (sau kháng chiến chống Pháp) sản lượng điện năng Việt
Nam nói chung về thuỷ điện nói riêng hầu như chưa có gì. Ở miền Bắc chỉ có các
Nhà máy thủy điện (NMTĐ) Tà Sa, Na Ngần, Bàn Thạch với công suất nhỏ; miền
Nam có NMTĐ Đa Nhim (cơng suất4 x 40 = 160 MW). Năm 1971 do Liên Xô cũ
giúp xây dựng đã khánh thành NMTĐ Thác Bà với công suất 3 x 36 = 108 MW.
Lúc này tổng công suất của các NMNĐ miền Bắc vẫn chưa vựợt quá 100 MW,
nghĩa là thuỷ năng đã giữ tỉ lệ quan trọng trong hệ thống điện (HTĐ) Việt Nam từ
những ngày đầu xây dựng.
Năm 1992 NMTĐ Hồ Bình đã xây dựng và lắp đặt xong đến tổ máy cuối
cùng với tổng công suất lên tới 1920MW (8 x 240 MW). Vào thời điểm này tổng
công suất tiêu thụ của HTĐ miền Bắc lúc cực đại chỉ vào khoảng 1100 MW, do đó
đựờng dây siêu cao áp 500 KV đựợc xây dựng gấp rút để tải điện năng thừa của
NMTĐ Hồ Bình vào miền Nam (nhiệt điện ở miền Bắc lúc này cịn có các nhà
máy Phả Lại 440 MW, Ninh Bình 100MW). Tiếp sau NMTĐ Hồ Bình, để đáp ứng
nhu cầu tăng trựởng nhanh của phụ tải điện, lần lựợt nhiều NMTĐ lớn đựợc xây
dựng và đựa vào vận hành như Nhà máy thủy điện Sơn La; Nhà máy thủy điện Lai
Châu. Có thể nhận thấy rằng HTĐ Việt Nam có một tiềm năng thuỷ điện khá lớn. Tỉ
lệ thuỷ năng chiếm cao trong tổng sản lựợng điện năng tồn quốc. Thuỷ điện, có thể
phát triển khắp cả 3 miền. Miền Bắc có thể xây dựng những NMTĐ lớn do những
dịng sơng lớn, độ dốc cao. Miền Trung có nhiều thuỷ điện nhỏ (sơng có độ dốc lớn,
nhựng lựu lựợng lại bé), miền Nam có khả năng xây dựng một số NMTĐ cơng suất
trung bình (độ dốc các dịng sơng thựờng khơng lớn).

Q khứ (cho đến hiện tại) thuỷ điện Việt Nam đã có một lịch sử phát triển
mạnh mẽ, tiềm năng thuỷ điện Viêt Nam còn rất dồi dào, tựơng lai thuỷ điện Việt
Nam sẽ cịn phát triển và chiếm vị trí quan trọng trong HTĐ Việt Nam.
1.2 Năng lượng của dòng nước và khả năng sử dụng

8


Một dịng chảy tự nhiên có sơ đồ mặt cắt dọc như trên hình vẽ (hình 1.1), trên
đó xét 2 mặt cắt ngang I-I và II-II (ở các vị trí bất kỳ). Tại mặt cắt I-I, gọi chiều cao
mức nước là z1, vận tốc trung bình của dịng chảy là v1, áp suất trong lòng nuớc là
p1. Ký hiệu tuơng tự các thơng số cho mặt cắt II-II.

Hình1.1: Sơ đồ tính tốn tiềm năng dịng sơng
Xét một khối nước W đang chuyển động tại I-I. Theo lý thuyết động lực học
chất lỏng, năng lượng chứa trong khối nước W này có thể tính theo cơng thức sau:

Trong đó:

𝐸𝐸1 = (𝑧𝑧1 +

𝑝𝑝1
𝛾𝛾

+

𝛼𝛼1 𝑣𝑣 2
2𝑔𝑔

)𝛾𝛾𝛾𝛾

, kgm

z 1 – độ cao của mặt cắt I-I
𝛾𝛾- trọng lượng riêng của nước (1000kg/m3)

v1, p1 - vận tốc và áp suất trung bình của dịng chảy tại mặt cắt I-I;

g = 9,81 m/sec2 - gia tốc rơi tự do bởi trọng trường.
𝛼𝛼1 - hệ số hiệu chỉnh kể đến sự phân bố khơng đều của dịng chảy trên mặt

cắt. Nếu vận tốc như nhau trên toàn bộ diện tích mặt cắt thì 𝛼𝛼1 = 1. Ngược lại, cần

lấy giá trị khác đi, tính theo cơng thức:

9


𝛼𝛼 =

∬∞ 𝑢𝑢3 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑣𝑣 3 𝜔𝜔

với : ω - diện tích mặt cắt ngang của dịng chảy, u là vận tốc tại vi phân diện
tích dω, v là vận tốc trung bình. Thơng thường có thể coi gần đúng ω ≈ 1.
Thể tích nước W tính bằng m3.
Trong lý thuyết thuỷ khí động học, thành phần trong ngoặc được gọi là cột áp,
có thứ nguyên là m. Nó bao gồm thành phần cột áp thuỷ tĩnh (z +p/γ) và cột áp thuỷ
động v2/2g. Về trị số, cột áp bằng năng lượng chứa trong một đơn vị trọng lượng
nước dưới dạng thế năng (tương ứng với cột áp thuỷ tĩnh) và động năng (cột áp thuỷ

động). Với dòng chảy lý tưởng, không tổn hao và chỉ chịu tác dụng lực trọng trường
thì cột áp tại mọi vị trí mặt cắt đều bằng nhau và năng lượng chứa trong khối nước
W sẽ khơng đổi khi chuyển động. Đối với dịng chảy của các dịng song năng lượng
ln ln bị tổn thất (do có một phần biến thành cơng bào mịn đất đá, vận chuyển
phù sa ...). Vì thế khi chuyển động đến mặt cắt II-II, năng lượng chứa trong khối
nước W chỉ còn lại là :
𝐸𝐸2 = (𝑧𝑧2 +

𝑝𝑝2 𝛼𝛼12 𝑣𝑣2 2
+
)𝛾𝛾𝛾𝛾 < 𝐸𝐸1
𝛾𝛾
2𝑔𝑔

Phần năng lượng mất mát để sinh cơng có thể tính được:
∆𝐸𝐸 = 𝐸𝐸1 − 𝐸𝐸2 = (𝑧𝑧1 − 𝑧𝑧2 +

𝑝𝑝1 −𝑝𝑝2
𝛾𝛾

+

𝛼𝛼1 𝑣𝑣1 2 −𝛼𝛼2 𝑣𝑣2 2
2𝑔𝑔

)𝛾𝛾𝛾𝛾 ,kgm

Thông thường với các dịng chảy tự nhiên p và v ít thay đổi (nếu coi tiết diện
mặt cắt ngang đồng đều và áp suất khí quyển trên mặt thống như nhau tại mọi nơi),
khi đó cơng do khối nước W sinh ra khi chuyển động từ I-I đến II-II có thể tính theo

cơng thức gần đúng:
∆𝐸𝐸 = 𝐸𝐸1 − 𝐸𝐸2 ≈ (𝑧𝑧1 − 𝑧𝑧2 )𝛾𝛾𝛾𝛾 = ∆𝐻𝐻. 𝛾𝛾. 𝑊𝑊

Bây giờ nếu xét khối nước W có thể tích bằng tổng lượng nước của dịng sơng
chảy qua mặt cắt trong thời gian 1 sec (nghĩa là đúng bằng trị số lưu lượng nước Q
của dòng chảy), đồng thời xét khoảng cách từ I-I đến II-II là tồn bộ chiều dài của
dịng sơng thì ΔE là sẽ cơng của cả dịng sơng sinh ra trong 1 giây (hay cũng chính
là cơng suất của nó, ký hiệu là N), ta có thể viết lại :

10


𝑁𝑁 = (𝑧𝑧1 − 𝑧𝑧2 )𝛾𝛾. 𝑄𝑄 = 𝐻𝐻. 𝛾𝛾. 𝑄𝑄,

kgm/s

Nếu đổi sang tính bằng kW (1kW = 102 kgm/s) thì cơng thức trở thành:
N = 9,81.H.Q , kW
Cơng thức trên thường được dùng để đánh giá trữ lượng thuỷ năng của dịng
sơng.Trị số tính được chính là cơng suất tổng cộng mà dịng sơng có thể sinh ra
được (cịn được gọi là tiềm năng của dịng sơng). Dễ thấy, trị số này khác rất xa với
tiềm năng thuỷ điện, bởi con người chỉ có thể tận dụng được một phần năng lượng ở
những đoạn nhỏ ΔH của dịng sơng.
Cũng từ các cơng thức tính năng lượng của dịng chảy như đã nêu trên (cơng
thức 1-1) ta cịn nhận thấy rằng năng, lượng tiềm tàng trong mỗi dịng sơng được
phân bố trải khắp theo chiều dài dòng chảy. Một đoạn ngắn bất kỳ của dịng sơng
đều có chứa một năng lượng, tính được theo (1-1). Tuy nhiên mật độ phân bố khơng
đều, đoạn có độ dốc càng lớn thì mật độ năng lượng tập trung càng cao (do ΔH lớn).
Đó cũng chính là những vị trí thuận lợi để xây dựng NMTĐ.
Ngoài ra, dựa theo (1-1) và (1-2) ta cũng có thể trực tiếp đưa ra cơng thức tính

cơng suất cho nhà máy thuỷ điện:
NTĐ = 9,81. η.Q.H0 (kW).

Trong đó: H0 - chênh lệch mức nước ở phía trước và phía sau NMTĐ, cịn gọi
là cột nước hình học của nhà máy;
Q - lưu lượng nước chảy qua NMTĐ ;
η - hiệu suất chung của NMTĐ;
Với việc xét đến hiệu suất biến đổi năng lượng η nêu trên, công suất tính theo
(1-3) cho NMTĐ chính là cơng suất điện phát ra của các máy phát. Có thể xác định
gần đúng hiệu suẩt : η = ηT.ηF ;
ở đây ηT - là hiệu suất của tua bin nước kể cả đến tổn thất năng lượng đường
ống; ηF - hiệu suất của máy phát;
Với ηT = (0,88 - 0,91), ηF = (0.95 - 0.98), khi thiết kế tính gần đúng có thể
lấy η ≈ 0,86. Khi đó thay vào (1-3) ta có :
NTĐ ≈ 8,3.Q.H0 (kW). (1-4)

11


Công thức trên thường được dùng để đánh giá sơ bộ công suất của NMTĐ
khi thiết kế.
Thực ra khi xác định công suất NMTĐ theo (1-3) hoặc (1-4) ta đã bỏ qua cả
chênh lệch áp suất và vận tốc dòng chảy ở trước và sau NMTĐ (tính ở cửa vào và ra
của thiết bị thuỷ năng), bởi H0 mới chỉ xét đến chênh lệch cột áp thuỷ tĩnh. Khi xét
đầy đủ các tổn thất cột nước của NMTĐ cần tính theo cơng thức:
𝐻𝐻 = (𝑧𝑧1 − 𝑧𝑧2 +

cịn cơng suất NMTĐ khi đó là:

𝑝𝑝1 −𝑝𝑝2 𝛼𝛼1 𝑣𝑣1 2 − 𝛼𝛼2 𝑣𝑣2 2

+
)
𝛾𝛾
2𝑔𝑔

N = 9,81.η.Q.H (kW)
sẽ phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố hơn (H khơng cịn là hằng số).
1.3 Phân loại nhà máy thủy điện
Từ cơng thức tính cơng suất của NMTĐ có thể thấy rằng việc tạo ra chênh
lệch mức nước H0 là điều kiện tiên quyết cho việc xây dựng NMTĐ. Chính vì thế
các phương án khác nhau tạo ra chênh lệch mức nước cũng đồng thời là điều kiện
phân loại các nhà máy thuỷ điện.
1.3.1. Nhà máy thuỷ điện kiểu đập
Bằng cách xây dựng các đập chắn ngang sơng có thể làm cho mức nước ở
trước đập dâng cao tạo ra cột nước H0 để xây dựng NMTĐ. Khi đó ta có NMTĐ
kiểu đập. Đập càng cao thì cơng suất của NMTĐ có thể nhận được càng lớn. Tuy
nhiênchiều cao đập cần phải được lựa chọn kỹ lưỡng theo các điều kiện kinh tế - kỹ
thuật và hàng loạt những yếu tố an toàn khác (liên quan đến mơi trường, di dân,
quốc phịng...). Mặt khác khi xây dựng đập cao nước dâng lên có thể làm ngập
những khu vực quan trọng (đông dân, thị trấn cổ, hầm mỏ chưa khai thác...). Nhiều
trường hợp, đây lại là yếu tố chính hạn chế chiều cao của đập. Nói chung NMTĐ
kiểu đập thường có thể xây dựng thuận lợi ở những nơi dịng chảy có độ dốc lớn,
chảy ngang qua thung lũng của những quả đồi. Trong trường hợp này, vùng ngập
nước dễ hạn chế được trong khu vực thung lũng, trong khi chỉ cần xây dựng các đập
ngắn nối giữa các quả đồi để chắn dịng sơng.

12


Hình 1.2: Sơ đồ nhà máy kiểu thân đập

Nhà máy thuỷ điện kiểu đập có các ưu điểm sau:
- Có thể tạo ra những NMTĐ công suất rất lớn, do có khả năng tận dụng được
tồn bộ lưu lượng của dịng sơng;
- Có hồ chứa nước, mà hồ chứa là một công cụ hết hiệu quả để điều tiết nước
và vận hành tối ưu NMTĐ, điều tiết lũ, phục vụ tưới tiêu và nhiều lợi ích khác.
Các nhược điểm chính của NMTĐ kiểu đập:
- Vốn đầu tư lớn, thời gian xây dựng lâu;
- Vùng ngập nước có thể ảnh hưởng nhiều đến sinh thái mơi trường (di dân,
thayđổi khí hậu).

13


Nhà máy thuỷ điện kiểu đập là loại phổ biến nhất đã xây dựng trong thực tế
(trên thế giới cũng như trong nước). Ở nước ta các NMTĐ kiểu đập cũng là loại chủ
yếu:Hồ Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ và Sơn La
Cần nói thêm là, có thể xây dựng nối tiếp rất nhiều NMTĐ kiểu đập trên cùng
một dịng sơng. Trong trường hợp như vậy hiệu quả điều tiết vận hành phối hợp của
các NMTĐ sẽ tốt hơn khi chỉ có một NMTĐ
1.3.2 Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn
Cột nước của NMTĐ cịn có thể tạo ra được bằng việc sử dụng các kênh dẫn.
Trường hợp chung nhất kênh bao gồm 2 phần: phần đầu được xây dựng dưới
dạng các kênh dẫn hở (còn gọi là kênh dẫn khơng áp). Phần này có nhiệm vụ dẫn
nước từ nơi mà dịng chày có mức nước cao đến nơi mà dịng chảy có mức nước
thấp (vị trí xây dựng NMTĐ) nhưng giữ nguyên mức nước (kênh có độ dốc rất
nhỏ). Phần cuối là các ống dẫn kín (cịn được gọi là kênh dẫn có áp). Phần này có
nhiệm vụ đưa nước từ trên cao xuống thấp để chạy tuabin.
Do dịng chảy trong ống kín bảo tồn được cột áp thủy tĩnh nên cột nước của
NMTĐ có thể được tính như từ mức nước cuối kênh dẫn hở (phía trên ống dẫn kín)
đến mức nước phía sau NMTĐ. Dễ thấy, cột nước của NMTĐ kiểu kênh dẫn có thể

rất lớn nếu nguồn nước lấy được xuất phát từ vị trí cao. Cũng cần nói thêm là sơ đồ
cấu trúc của NMTĐ kiểu kênh dẫn nêu trên nhằm minh họa nguyên lý chung (trong
đó kênh gồm 2 phần). Thực tế khơng nhất thiết phải có phần kênh dẫn hở.
Phần này chỉ được tạo ra khi có thể (với địa hình cho phép) và đem lại hiệu
quả kinh tế (có vốn đầu tư nhỏ hơn ống dẫn kín). Có trường hợp phần kênh dẫn hở
đuợc thay thế bằng hầm dẫn nuớc áp lực nuớc trong hầm có thể lớn hơn áp suất khí
quyển (do có độ dốc), nhưng thường khơng lớn.

14


Hình 1.3: Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn
Dễ thấy, ưu điểm nổi bật của NMTĐ kênh dẫn là vốn đầu tư nhỏ, cơng suất ổn
định (ít phụ thuộc vào mức nước). Địa hình thích hợp cho NMTĐ kênh dẫn là vùng
núi đồi, nơi có các dịng sơng (suối) dốc chảy từ trên cao xuống. Cũng có khi là nơi
có 2 con sông chảy cạnh nhau với mức nước chênh lệch lớn. Trong trường hợp này
kênh được xây dựng dẫn nước từ dịng sơng có mức nước cao sang dịng sơng có
mức nước thấp. Nhà máy được xây dựng gần bờ sơng có mức nước thấp và xả nước
vào dịng sơng này
Nhược điểm chính của NMTĐ kiểu kênh dẫn là khơng có hồ chứa nước, do đó
khơng có khả năng điều tiết nước và điều chỉnh công suất. Khắc phục nhược điểm
này trong nhiều trường hợp, với địa hình cho phép, người ta xây dựng các hồ nhân
tạo ở các vị trí cao (cuối của các kênh dẫn hở). Tuy nhiên khi đó vốn đầu tư tổng
cộng của cơng trình lại tăng lên.
Một ví dụ điển hình cho NMTĐ kênh dẫn ở Việt Nam là thủy điện Đa Nhim.
Nhà máy này được xây dựng từ những năm 60 (của thế kỷ trước). Kênh gồm 2 ống

15

kín dài gần 3 km dẫn nước từ thung lũng trên đỉnh cao nguyên Đà Lạt (hồ Đa
Nhim) xuống vùng đất thấp tạo ra cột nước tới 1020 m. Nhờ cột nước rất lớn nên
chỉ với lưu lượng nhỏ công suất nhà máy đã rất đáng kể.

Hình 1.4: Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn có hầm chứa
1.3.3 Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp và nguyên tắc chung nâng cao cơng
suất nhà máy thủy điện
Với những địa hình thích hợp, bằng việc kết hợp xây dựng dập với kênh dẫn,
có thể tạo ra NMTĐ có cơng suất lớn, vốn đầu tư lại nhỏ. Sơ đồ điển hình của
NMTĐ kiểu hỗn hợp như trên hình (1.4). Hồ xây dựng được ở vị trí cao trong khi
có vị trí thấp hơn để bố trí nhà máy (nơi đặt tua-bin nước và máy phát). Tận dụng
chênh lệch độ cao phía dưới đập có thể nâng cơng suất nhà máy lên đáng kể trong
khi chỉ cần đầu tư thêm dàn ống dẫn nước từ trên cao xuống thấp. ống dẫn kín bảo
tồn cột áp nên cột nước vẫn được tính từ mặt thống của hồ (trên cao) đến mức

16


nước hạ lưu phía sau nhà máy. Ngồi ưu điểm về kinh tế, nhà máy còn tổ hợp được
các ưu điểm của NMTĐ kiểu đập và kiểu kênh dẫn như: có cột nước cao, cơng suất
ổn định, có khả năng điều tiết nhờ hồ chứa.

Hình 1.5: Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp
Nhà máy thủy điện Yaly và nhà máy thủy điện Huội Quảng (chưa xây dựng)
là những ví dụ rất điển hình của NMTĐ kiểu hỗn hợp ở Việt Nam. Hồ chứa nước
của NMTĐ Yaly có độ cao 515 m (so với mức nước biển). Người ta xây dựng một
đường hầm dẫn nước từ hồ xuống vị trí thấp (305 m) dài tới hơn 4km để cung cấp
nước cho nhà máy (nơi lắp đặt các tua-bin và máy phát). Đập và hồ tạo ra cột nước
không lớn (15m) nhưng có ý nghĩa tập trung lưu lượng nước. Hầm kín tích lũy cột
nước rất lớn (thêm gần 200m), nhờ thế công suất của NMTĐ được nâng lên rất cao

(720 MW).
Từ cấu trúc của các NMTĐ đã nêu (gặp phổ biến nhất trong thực tế) dễ thấy
được nguyên tắc chung nâng cao cơng suất cho các NMTĐ: đó là các biện pháp tập
trung lưu lượng và tập trung độ dốc (cột nước). Hồ chứa cho phép tập trung lưu
lượng (có thể của nhiều dòng chảy) còn đập và kênh dẫn tập trung cột nước. Thực
chất là tập trung các lượng nước về vị trí cao so với nơi có thể xây dựng nhà máy
(càng thấp càng tốt).

17


Trong phương án NMTĐ kiểu đập (hình 1.1) năng lượng lúc đầu của khúc
sông từ I-I đến II-II phân bố gần như đồng đều theo chiều dài (độ dốc lòng sơng gần
như nhau). Nhờ có đập dâng nước lên cao, độ dốc dòng chảy trước đập giảm nhiều
(chỉ còn lại bằng ΔH), động năng dòng chảy cũng giảm nhiều do tiết diện hồ mở
rộng (biến thành thế năng). Khi vận tốc nước chảy trong hồ đủ nhỏ thì ΔH cũng
nhỏ, khi đó gần như tồn bộ độ dốc của dịng chảy tập trung về phần cuối (từ trước
đập cho đến mặt cắt II-II), nói khác đi, năng lượng dịng chảy được tập trung đến
phía trước đập. Với phương án sử dụng kênh dẫn, độ dốc của kênh làm thay đổi mật
độ phân bố năng lượng của dòng chảy. Phần đầu của kênh có độ dốc rất nhỏ để
năng lượng tập trung vào cuối.
Cũng cần nói thêm là, do ống kín bảo toàn được cột áp nên chỉ cần tập trung
năng lượng dịng chảy đến trước các ống dẫn kín, tồn bộ năng lượng sẽ được nhận
ở đầu ra. Lợi dụng đặc điểm này người ta có thể chọn các vị trí thuận lợi để tập
trung năng lượng, ví dụ các hồ chứa, bể chứa nước trên cao. Để tập trung lưu lượng,
có thể sử dụng các đập thấp để chặn và đổi hướng dịng chảy, cũng có thể dùng
bơm.
Hình (1.6) minh họa phương án tập trung cột nước bằng bơm. Thực chất
phương án này là tập trung lưu lượng nước có cột nước H1 vào vị trí có cột nước
H2 so với nhà máy. Bơm cần sử dụng năng lượng điện để nâng cao cột nước trước

khi tập trung vào hồ chứa, nhưng bù lại có thể tận dụng được nguồn năng lượng của
các dịng chảy nằm trên địa hình không thuận lợi dẫn nước đến nhà máy.
Như vậy qua mục 1.2 và mục 1.3 ta thấy rằng đối với nhà máy thủy điện có
cơng suất lớn trên 1000MW nên lựa chọn phương án thiết kế nhà máy thủy điện
kiểu hỗn hợp

18


Hình 1.6 Tập trung nước bằng bơm
1.4 Các cơng trình và thiết bị chính của Nhà máy thủy điện
Tuy có các phương án khác nhau xây dựng NMTĐ, nhưng nói chung trong
mỗi cơng trình thủy điện đều có các thành phần chính sau:
1) Cơng trình cột nước (đập, kênh dẫn, kênh xả hạ lưu);
2) Cơng trình điều tiết nước (hồ chứa, bể điều tiết, cống...);
3) Thiết bị công nghệ (tua-bin thủy lực, máy phát, điều tốc, kích từ);
4) Thiết bị phân phối điện (máy biến áp, máy cắt điện, dao cách ly, thanh
dẫn, thanh góp ...);
5) Các cơng trình phụ (ống dẫn nước vao tuabin, thiết bị chắn rác, công trình
xả lũ, đập tràn, cơng trình xả, ...).
Căn cứ vao địa hình cụ thể, cần phải nghiên cứu những cách bố trí hợp lý cho
các cơng trình trên. Điều kiện tự nhiên thường mn hình mn vẻ, cách bố trí khác
nhau còn tùy thuộc nhiều vao chiều cao cột nước cũng như kết cấu của đập (đập đất,
đập bê tông, đập đá đổ...).

19


Chương 2: CÁC YÊU CẦU, TIÊU CHUẨN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG
ÁN THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHÀ

MÁY THỦY ĐIỆN CĨ CƠNG SUẤT LỚN TRÊN 1000MW
2.1 Các yêu cầu, tiêu chuẩn đối với hệ thống điều khiển giám sát NMTĐ có
cơng suất lớn trên 1000MW
2.1.1 Các u cầu, tiêu chuẩn chung đối với hệ thống điều khiển giám sát
NMTĐ
Trong một nhà máy thủy điện, hệ thống điều khiển giám sát có vai trị rất quan
trọng. Vì vậy đối với một hệ thống điều khiển giám sát có các các yêu cầu, tiêu
chuẩn chung như sau:
- Vị trí vận hành chính xác của tất cả các thiết bị phải được kiểm tra xác nhận
trước khi người vận hành tiến hành một trình tự. Các thiết bị giám sát phải liên tục
kiểm tra các điều kiện thực tế và so sánh với các điều kiện thiết kế của thiết bị.
- Sự hỏng hóc của một thiết bị nào đó hoặc mất nguồn cung cấp tới thiết bị đó
phải được giám sát để đưa ra cảnh báo. Điều quan trọng là phải thiết kế các thiết bị
với độ tin cậy cao sao cho sự cố đối với thiết bị hoặc nguồn cung cấp cho thiết bị
không gây ảnh hưởng tới sự hoạt động của các thiết bị khác.
- Các thiết bị điều khiển phải được thiết kế với độ tin cậy cao, tất cả các trình tự
điều khiển phải diễn ra một cách trôi trảy với thời gian trễ nhỏ nhất và các điều kiện
bất thường phải được phát hiện nhanh chóng và khắc phục, một trình tự điều khiển
phải được chấm dứt nếu khơng tiến triển được do khóa liên động điều khiển hoặc
khóa liên động an tồn và trình tự dừng tự động thiết bị sẽ bắt đầu. các phương tiên
chỉ báo và thí nghiêm phải được cung cấp đầy đủ để phát hiện kịp thời vị trí và khắc
phụ sự cố.
- Hệ thống điều khiển có bộ vi xử lý phải có các chương trình được lưu trong bộ
nhớ phù hợp, ổn định và có thể lập lại chương trình như EPROM.
- Hệ thống phải được trang bị tất cả các phương tiện cần thiết cho việc bảo
dưỡng, vận hành và xử lý sự cố mà các kỹ thuật viên có kiến thức chung về điện tử
có thể thực hiện được.

20

- Các modul có chức năng tương tự nhau phải có khả năng lắp lẫn phù hợp, các
bộ phận, chi tiết điện tử trong các module phải là loại có chất lượng cao nhất với
tuổi thọ phục vụ ít nhất là 20 năm đặc biệt là các tụ điện.
- Các module dự phòng cho tất cả các bộ phận của hệ thống điều khiển phải có
đầy đủ để người vận hành có thể tự tiến hàng cơng việc bảo dưỡng và sửa chữa mà
không cần sự giúp đỡ từ bên ngồi.
2.1.2 Các u cầu, tiêu chuẩn riêng cho NMTĐ có công suất lớn
Do mức độ quan trọng của nhà máy thủy điện có cơng suất lớn trên 1000MW
đối với lưới điện và các yếu tố về an ninh quốc gia, nên hệ thống điều khiển giám
sát phải đáp ứng được các yêu cầu, tiêu chuẩn sau:
- Nhà máy thủy điện phải được cung cấp một hệ thống điều khiển giám sát điện
tử kỹ thuật số hiện đại, phù hợp với các tiêu chuẩn được phê duyệt nhằm vận hành
an toàn, tối ưu các hệ thống thiết bị công nghệ sau:
+ Tuốc bin- máy phát điện và hệ thống thiết bị phụ tổ máy;
+ Hệ thống phân phối điện cấp điện áp máy phát;
+ Các máy biến áp tăng và các máy biến áp tự dùng;
+ Thiết bị Trạm phân phối;
+ Hệ thống điện tự dùng xoay chiều và một chiều;
+ Thiết bị đập tràn và cửa nhận nước;
+ Các hệ thống thiết bị phụ khác của nhà máy;
- Các mục tiêu chính của hệ thống điều khiển giám sát phải đạt được như sau:
+ Vận hành đơn giản, an toàn, tin cậy, linh hoạt và ổn định;
+ Giao diện thân thiện với người vận hành;
+ Điều khiển tự động hoặc từ xa dễ dàng;
+ Bảo vệ trang thiết bị của nhà máy tránh các điều kiện vận hành bất
thường và nguy hiểm ngoài ý muốn;
+ Thiết kế mở dựa trên các tiêu chuẩn thông dụng và không độc quyền trên
thế giới;
+ Cho phép mở rộng và nâng cấp dễ dàng cả phần cứng lẫn phần mềm;

21


+ Hỗ trợ các kiểu và phương thức giao tiếp với các thiết bị của các nhà sản
xuất khác nhau;
+ Quản lý an tồn dữ liệu và thơng tin;
+ Đảm bảo tính sẵn sàng cao và giảm thấp nhất các yêu cầu bảo dưỡng;
+ Phát hiện sự cố nhanh chóng, chính xác và giúp người vận hành nhanh
chóng khắc phục sự cố;
+ Có cấu trúc modun hóa với số lượng ít nhất các modun khác nhau;
Ngoài việc tuân theo các tiêu chuẩn chung, hệ thống điều khiển và giám sát
phải phù hợp với các phiên bản mới nhất của các tiêu chuẩn của IEC, ANSI, IEEE,
ISA NEMA PB1-197, ISA RP60.
Các chức năng của hệ thống điều khiển giám sát có cống suất lớn trên
1000MW về cấp điều khiển phải đáp ứng được các chức năng sau:
+ Có khả năng điều khiển tại các trung tâm điều độ quốc gia và điều độ
miền và truyền được các dữ liệu sau:
 Truyền các lệnh/các tín hiệu trạng thái (Máy cắt đầu cực (đóng/ mở),
Máy cắt 500kv (đóng/ mở), Dao cách ly (đóng/ mở), Dao tiếp đất (đóng/ mở).
 Các tín hiệu đo lường: Điện áp trên các thanh cái 500kV và các ngăn lộ
đường dây (kV); Tần số tại các thanh cái (Hz); Công suất hữu công và vô công của
các máy biến áp (MW/MVar); Công suất hữu công và vô công của các máy phát
(MW/MVar); Công suất hữu công và vô cơng của các đường dây (MW/MVar);
Dịng điện các phía của các máy biến áp tăng.
 Các dữ liệu đo đếm: Giá trị điện năng lũy kế hữu công và vô cơng của
từng tổ máy và tồn nhà máy (kWh/kVArh); Giá trị điện năng lũy kế hữu công và
vô công truyền tải trên các đường dây (kWh/kVArh).
+ Có khả năng điều khiển từ phịng ĐKTT với ít nhất các u cầu về chức
năng như sau:

 Tại phịng ĐKTT nhà máy có đặt các trạm vận hành (OWS) cùng thiết bị
ngoại vi, màn Video nhà máy và bảng Mimic chính của nhà máy. Bảng điều khiển

22


chính biểu hiện vị trí các cửa van cơng trình đập tràn và cửa nhận nước, các sơ đồ
Mimic, sơ đồ nối điện chính, tự dùng xoay chiều và 1 chiều NMTĐ.
 Trên bảng có bố trí các bộ phận hiển thị trạng thái thiết bị, các đồng hồ
chỉ báo và các nút ấn đóng sự cố các cửa van cửa nhận nước, mở các cửa van đập
tràn, khởi động dập cháy các máy phát và máy biến áp. Toàn bộ thiết bị, trừ các nút
ấn báo sự cố được đấu với thiết bị vào/ra (I/O) được lắp trong bảng. Các thiết bị I/O
được nối qua giao diện trình tự với máy tính nhà máy. Các nút ấn sự cố được nối
bằng cáp với các tủ điều khiển thiết bị tại chỗ. Từ các trạm vận hành thực hiện điều
khiển các tổ máy, các cửa van của các cơng trình xả, thiết bị phụ của NMTĐ, các
máy cắt và dao cách ly của Trạm phân phối ở các cấp điện áp. Đối với tồn bộ thiết
bị có dẫn động điện có tính đến việc thu thập và thể hiện các thơng tin trên các màn
hình của các trạm vận hành dưới dạng hình ảnh các sơ đồ Mimic cùng các phần tử
tĩnh và động.
 Thông tin tương ứng được biểu hiện trên các khn hình bằng số, dạng
biểu đồ... và được in ra từ các máy in. Trên cơ sở các dữ liệu được lưu trữ lập ra các
báo cáo tĩnh, biểu đồ các giá trị tương ứng, các tính tốn phân tích để điều khiển
thiết bị hiệu quả tối đa. Để thơng báo cho kíp trực vận hành khi xuất hiện các tình
huống ngồi dự kiến có bố trí thiết bị báo tín hiệu âm thanh với các mức âm lượng
khác nhau, cịn có bảng báo tín hiệu tổng hợp không kết nối với hệ thống DACS
nhà máy.
 Cấp điều khiển chính của NMTĐ được thực hiện từ các trạm vận hành
tại phòng ĐKTT NMTĐ. Việc chuyển sang điều khiển từ xa được thực hiện bằng
khoá chọn điện tử “NMTĐ”/ “điều độ quốc gia”/“điều độ miền” từ trạm vận hành.
Từ các trạm vận hành thực hiện:

• Tự động khởi động tổ máy ở chế độ đã định bao gồm cả việc chuyển tổ máy
từ chế độ máy phát sang chế độ chạy bù đồng bộ và ngược lại;
• Dừng bình thường và dừng sự cố tổ máy;
• Điều khiển các chế độ điều chỉnh điện áp theo nhóm và cơng suất hữu cơng;
• Tăng / Giảm cơng suất hữu công và vô công của các tổ máy;

23


• Điều khiển phân bố;
• Điều khiển các máy cắt và các dao cách ly;
• Điều khiển các máy cắt máy phát, các máy cắt thiết bị phân phối hợp bộ
6,3kV và các máy cắt đầu vào và phân đoạn 0,4kV của hệ thống tự dùng 400/230VAC và 220V-DC của nhà máy;
• Khởi động các máy phát điezen;
• Đóng/mở các cửa van sửa chữa sự cố cửa nhận nước;
• Điều chỉnh và điều khiển các cửa van đập tràn;
• Điều khiển các máy bơm tháo cạn và van xả sự cố trong chế độ sự cố;
• Điều khiển các hệ thống thơng gió;
• Điều khiển các máy bơm của trạm bơm, các nguồn nước thải lẫn dầu, hệ
thống bơm tháo cạn, hệ thống thơng gió, các hệ thống phụ khác;
• Thay đổi các giá trị đặt và điều chỉnh các bộ phận của hệ thống điều điều tốc
và hệ thống kích từ;
• Cập nhật liên tục các thơng số được hiển thị;
• Chức năng khóa và bảo vệ an tồn;
+ Có khả năng điều khiển nhóm với ít nhất các yêu cầu về chức năng
như sau:
 Chuyển sang cấp điều khiển nhóm được thực hiện bằng cách chuyển
khố chế độ sang vị trí “tự động tại chỗ”. Khi đó điều khiển nhóm thiết bị được thực
hiện từ màn hình cảm biến tại chỗ bố trí trong mỗi tủ của bộ điều khiển nhóm.
Ngồi ra các tủ có các bộ phận cần thiết báo tín hiệu ánh sáng và âm thanh tại chỗ,

các bộ biến đổi đo và các thiết bị cần thiết khác.
 Các tủ điều khiển nhóm được cung cấp cho mỗi nhóm thiết bị, như các tổ
máy, thiết bị Trạm phân phối, hệ thống tự dung một chiều và xoay chiều, tự dung
Nhà máy, thiết bị đập tràn và cửa nhận nước…Cấp điều khiển nhóm này hồn tồn
có khả năng vận hành song song với cấp điều khiển Nhà máy đã được đề cập ở trên.
 Các thiết bị chính được lắp trong mỗi tủ điều khiển nhóm được trang bị
để đảm bảo cung cấp đầy đủ các chức năng điều khiển và giám sát.

24


 Các tủ điều khiển tổ máy được bố trí trong gian máy tại cao trình thích
hợp, tủ điều khiển tổ máy được trang bộ điều khiển, giao diện HMI và các thiết bị
thích hợp để điều khiển giám sát cần thiết để đảm bảo các chức năng:
- Khởi động và dừng máy bằng tay, từng bước, tự động;
- Chọn lựa các chế độ vận hành: đứng im, sẵn sàng, quay, phát điện, bù đồng
bộ và chế độ nạp đường dây;
- Điều khiển tốc độ và phụ tải thông qua bộ điều tốc;
- Tự động điều chỉnh điện áp;
- Đo và lưu tất cả đặc tính vận hành của tuabin và máy phát;
- Cảnh báo các sự cố bằng âm thanh, đèn báo;
 Điều khiển tự động tại chỗ cho các ngăn máy cắt được thực hiện bằng
các tủ điều khiển tại chỗ ICB được cung cấp đồng bộ với các thiết bị phân phối. Các
tủ điều khiển tại chỗ phải được đặt trước các ngăn máy cắt. Các trạm vào ra sẽ được
đặt tại các vị trí khác nhau trong phịng phân phối và phải thu thập các tín hiệu từ
các thiết bị và chuyển thành các gói dữ liệu để gửi tới tủ điều khiển nhóm của Trạm
phân phối.Tủ điều khiển nhóm của Trạm phân phối được trang bị 01 bộ điểu khiển,
giao diện HMI và các thiết bị thích hợp để điều khiển giám sát. Đối tượng điều
khiển tại trạm bao gồm các máy cắt và các dao cách ly, dao nối đá vận hành bằng
các động cơ.

 Điều khiển và giám sát hệ thống cấp điện tự dung:
Các chức năng của hệ thống này: Hiển thị các giá trị đo lường dòng và áp và
điều khiển và chỉ thị vị trí các máy cắt tự dùng;
 Cấp điều khiển nhóm thiết bị tự dùng xoay chiều 6,3kV, 0,4kV, một
chiều 220V nhà máy và Diegen
Tủ điều khiển nhóm cho các thiết bị này được đặt tại cao trình thích hợp bao
gồm 01 bộ điều khiển chung cho cả MV/LV và diegen, bộ điều khiển cho phòng
Diegen, điều khiển cho hệ thống MV/LV giao diện HMI và các thiết bị thích hợp
để điều khiển giám sát
Bộ điều khiển nhóm phải thực hiện các chức năng sau:

25