Hệ Thống SCADA điều khiển giám sát khí SF6 trạm biến áp 110Kv hợp bộ Gis Hàm Thuận

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát
khí SF6 trong trạm biến áp 110kv hợp bộ
GIS Hàm Thuận
PHAN PHÚC LƯỢNG

Ngành Kỹ thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
Chuyên ngành Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp

Giảng viên hướng dẫn:

ThS. Nguyễn Tuấn Ninh

Bộ môn:
Viện:

Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp
Điện

HÀ NỘI, 6/2021

Chữ ký của GVHD



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

--***--

-----------------

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên:

Phan Phúc Lượng

Mã số sinh viên: 20162598

Khóa:

61

Viện:

Điện

Ngành:

Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

1. Đầu đề thiết kế/Tên đề tài
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT KHÍ SF6 TRONG

TRẠM BIẾN ÁP 110KV HỢP BỘ GIS HÀM THUẬN
2. Các số liệu ban đầu
 Sơ đồ mặt bằng Trạm Gis Hàm Thuận
 Sơ đồ mặt bằng Phòng Gis 110Kv Hàm Thuận
 Tiêu chuẩn, quy định an tồn về rị rỉ khí SF6
3. Các nội dung tính tốn, thiết kế
 Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 cho trạm biến áp 110kv hợp
bộ Gis với các chức năng sau:
- Giám sát:
 Giám sát hàm lượng khí SF6
- Điều khiển, vận hành:
 Điều khiển các chế độ ON/OFF Quạt
 Điều khiển các chế độ ON/OFF Đèn cảnh báo
- Hiển thị giao diện điều khiển giám sát (HMI):
 Hiển thị giao diện hệ thống, đăng nhập sử dụng vận hành hệ thống
 Hiển thị hàm lượng khí SF6
 Hiển thị trạng thái đèn báo động, trạng thái quạt thơng gió từng khu
vực của hệ thống… bằng việc thay đổi màu sắc tương ứng
 Hiển thị thơng báo, chú thích, lịch sử biểu đồ Trend dữ liệu
4. Cán bộ hướng dẫn
(Trường hợp nhiều giảng viên hướng dẫn, cần ghi rõ phần hướng dẫn của từng
giảng viên)
Phần

Họ tên cán bộ

Lý thuyết

ThS Nguyễn Tuấn Ninh

Thực hành

ThS Nguyễn Tuấn Ninh


5. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 20/02/2020
6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/06/2021
Ngày...... tháng...... năm......
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký, ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN
(Ký, ghi rõ họ tên)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)


Lời cảm ơn
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới:
Gia đình em, thầy cơ là những người ln ủng hộ, động viên và quan tâm tới em
trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Người thầy đáng kính, giảng viên hướng dẫn ThS Nguyễn Tuấn Ninh - người đã
luôn quan tâm, theo dõi và hỗ trợ em hoàn thành đồ án này.
Và những người bạn cùng lớp, cùng học tập tại phịng thí nghiệm ABB - HUST
TRAINING CENTER đã luôn trao đổi, giúp đỡ, chia sẻ kiến thức và những kinh
nghiệm thực tế cho nhau trong suốt thời gian thực hiện đồ án.


Tóm tắt nội dung đồ án

Trong đồ án này, em đã thiết kế hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 cho
trạm biến áp 110KV hợp bộ Gis Hàm thuận
Dựa vào những tiêu chuẩn quy định an tồn về rị rỉ khí SF6, em đã thực
hiện các nhiệm vụ:
Vấn đề cần thực hiện:
- Thiết kế lắp đặt các thiết bị đầu báo cảm biến SF6, đèn báo động, quạt
thơng gió cho trạm 110kv Gis Hàm Thuận.
- Thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển
- Lựa chọn phần cứng cho hệ thống điều khiển giám sát
- Lập trình điều khiển hệ thống, thiết kế giao diện giám sát cho hệ thống,
đáp ứng được yêu cầu của chủ đầu tư.
- Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát trực quan, hiệu quả, tiết kiệm
chi phí và năng lượng.
 Đề xuất mơ hình hệ thống từ đó đưa ra lựa chọn về bộ điều khiển, các
module I/O và các module có liên quan. Lựa chọn phần mềm thiết kế
phù hợp.
 Tính tốn số lượng I/O, từ đó tổng hợp lại hệ thống, bố trí thiết bị và
đấu nối hệ thống.
 Viết chương trình điều khiển cho hệ thống.
 Thiết kế màn hình giám sát cho hệ thống.
Công cụ sử dụng:
-

Thiết kế hệ thống đo khí SF6, đèn báo động và quạt thơng gió: sử dụng
các tiêu chuẩn
- Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát:
 Phần cứng: sử dụng bộ điều khiển S7-1200 của hãng Siemens. Sử
dụng các module I/O SIMATIC SM 1231 của hãng Siemens
 Phần mềm: SCADA Intouch của hãng Wonderware để hiển thị giao
diện điều khiển và giám sát hệ thống. HMI iX Developer của hãng

Beijer hiển thị giao diện điều khiển giám sát hệ thống tại hiện trường.
TIA Portal lập trình bộ điều khiển S7-1200.
Kết quả và tính thực tế của đồ án:
Kết quả của đồ án đã đáp ứng được những vấn đề đã đặt ra: hệ thống đo, báo
động và xử lý sự cố khi có rị rỉ xảy ra kịp thời, quạt thơng gió hoạt động ổn định
và xử lý kịp thời theo thiết kế điều khiển, các tín hiệu được thực hiện tự động bởi
các thiết bị và hoạt động liên tục trong 24/24.
Định hướng phát triển của đồ án:
Đồ án hoàn toàn có thể mở rộng và áp dụng cho các trạm biến áp hợp bộ Gis
khác nhau hoặc các tòa nhà chứa các thiết bị sử dụng khí SF6 nếu có nguy cơ rò
rỉ…


Các kiến thức và kỹ năng đã đạt được:
-

Vận dụng những kiến thức đã học trên trường và những kiến thức tìm hiểu
thêm để xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát khí SF6
Rèn luyện thêm các kỹ năng như: thiết kế, cấu hình hệ thống, lập trình…

Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ TRẠM GIS – GIS HÀM THUẬN ................ 1
1.1

Trạm biến áp hợp bộ GIS. .......................................................................... 1
Khái niệm. ................................................................................... 1

Các ưu nhược điểm của trạm Gis. ............................................... 1
Phân loại. ..................................................................................... 2
Quy định làm việc an toàn với GIS............................................. 2

1.2

Rị rỉ khí SF6 ảnh hưởng đến an tồn điện................................................. 2
Ứng dụng khí SF6 ....................................................................... 2
Ảnh hưởng của việc rị rỉ khí SF6 ............................................... 2

1.3

Phương pháp phát hiện rò rỉ SF6 hiện nay ................................................. 3

1.4

Giới thiệu trạm biến áp 110kv hợp bộ GIS Hàm Thuận. ........................... 4

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT KHÍ
SF6 ......................................................................................................................... 6
2.1

Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) ................... 6

2.2

Hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 ....................................................... 7
Hệ thống đo khí SF6 ................................................................... 7
Đèn cảnh báo và quạt thơng gió .................................................. 8
Vai trị của hệ thống điều khiển giám sát khí SF6. ..................... 8

2.3

Giới thiệu và lựa chọn phương pháp đo khí SF6 ....................................... 8
Phương pháp ion hóa cao tần ...................................................... 8
Phương pháp quang âm laze ....................................................... 8
Phương pháp siêu âm .................................................................. 9
Phương pháp quang phổ hồng ngoại (NDIR) ............................. 9

2.4

Mơ hình hệ thống đề xuất......................................................................... 13

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................ 15
3.1

Thiết kế hệ thống. ..................................................................................... 15
Tiêu chuẩn, quy định thiết kế .................................................... 15
Tính tốn vị trí lắp đặt thiết bị .................................................. 16

3.2

Tính tốn số lượng I/O ............................................................................. 22

3.3

Lựa chọn thiết bị ...................................................................................... 23
Yêu cầu về thiết bị điều khiển................................................... 23
Giới thiệu bộ điều khiển S7-1200 của hãng Siemens ............... 23

Lựa chọn đầu báo cảm biến SF6 và thiết bị .............................. 26
Module I/O ................................................................................ 29
Màn hình HMI hiển thị tại chỗ ................................................. 30
3.4

Ghép nối tín hiệu với bộ điều khiển ......................................................... 32

3.5

Sơ đồ cấu hình hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 ............................. 34

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ PHẦN MỀM ........................................................... 36
4.1

Thiết kế phần mềm điều khiển giám sát hệ thống.................................... 36
Yêu cầu chung về giao diện HMI ............................................. 36
Lựa chọn phần mềm thiết kế ..................................................... 36
Lập trình hệ thống ..................................................................... 39
Thiết kế màn hình HMI cho hệ thống điều khiển và giám sát khí
SF6………. .................................................................................................. 42
Thiết kế màn hình giám sát tại chỗ ........................................... 44

4.2

Demo ........................................................................................................ 47

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN .................................................................................. 48
5.1

Kết luận .................................................................................................... 48

5.2

Những vấn đề còn tồn tại ......................................................................... 48

5.3

Hướng phát triển của đồ án trong tương lai ............................................. 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 50


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc trạm Gis .................................................................................... 1
Hình 1.2 Máy dị cầm tay khí SF6 ......................................................................... 3
Hình 1.3 Cơng trình Trạm Gis 110Kv Hàm Thuận ............................................... 4
Hình 2.1 Mơ hình hệ thống SCADA...................................................................... 6
Hình 2.2 Phổ hồng ngoại của khí SF6 ................................................................. 10
Hình 2.3 Phổ hồng ngoại của nước (khí) ............................................................. 11
Hình 2.4 Ngun tắc hấp thụ hồng ngoại -dispersive (NDIR) ............................ 11
Hình 2.5 IR khơng tán sắc – Tất cả ánh sáng đi qua mẫu .................................... 12
Hình 2.6 IR tán sắc- Chỉ ánh sáng có bước sóng đã chọn mới đi qua mẫu ......... 12
Hình 2.7 Mơ hình hệ thống đề xuất...................................................................... 13
Hình 3.1 Sơ đồ bản vẽ mặt bằng tòa nhà trạm Gis -Hàm Thuận ......................... 16
Hình 3.2 Sơ đồ bản vẽ mặt bằng phịng Gis 110Kv - Hàm Thuận ...................... 16
Hình 3.3 Hình ảnh thiết bị trạm biến áp 110Kv Gis Hàm thuận ......................... 17
Hình 3.4 Lắp đặt cảm biến SF6 trong thực tế ...................................................... 18
Hình 3.5 Lắp đặt cảm biến SF6 trong thực tế ...................................................... 19
Hình 3.6 Sơ đồ bản vẽ lắp đặt cảm biến SF6 ....................................................... 19

Hình 3.7 Hệ thống giám sát khí SF6 tại hiện trường ........................................... 21
Hình 3.8 Bộ điều khiển controller PLC S7 - 1200 ............................................... 24
Hình 3.9 Cấu tạo module CPU S7-1200 1214C .................................................. 25
Hình 3.10 Cảm biến khí SF6 ................................................................................ 26
Hình 3.11 Đèn báo động & quạt thơng gió .......................................................... 28
Hình 3.12 Module SIMATIC S7-1200 SM 1231 ................................................ 29
Hình 3.13 Màn hình HMI hiện trường ................................................................. 30
Hình 3.14 Màn hình Beijer T7E ........................................................................... 31
Hình 3.15 Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển S7-1200 ............................................... 32
Hình 3.16 Sơ đồ đấu nối tín hiệu vào module I/O SM1231 ................................ 32
Hình 3.17 Cấu trúc cảm biến RSS-SF6................................................................ 33
Hình 3.18 Sơ đồ đấu nối cảm biến RSS-SF6 với PLC ........................................ 33
Hình 3.19 Sơ đồ cấu hình hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 ........................ 34
Hình 4.1 Giao diện phần mềm Scada InTouch .................................................... 37
Hình 4.2 Cửa sổ thiết kế của InTouch.................................................................. 38
Hình 4.3 Phần mềm TIA Portal............................................................................ 39
Hình 4.4 Giao diện tổng quan của TIA Portal V14 ............................................. 41
Hình 4.5 Giao diện một phần lập trình................................................................. 41
Hình 4.6 Giao diện đăng nhập vào hệ thống ........................................................ 42
Hình 4.7 Giao diện điều khiển giám sát trang chủ hệ thống ................................ 43


Hình 4.8 Màn hình giám sát thơng số chi tiết ...................................................... 44
Hình 4.9 Giao diện đăng nhập hệ thống............................................................... 46
Hình 4.10 Màn hình giám sát hàm lượng SF6 ..................................................... 46
Hình 4.11 Demo tại phịng thí nghiệm ABB-HUST TRAINING CENTER ....... 47


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng thống kê số lượng thiết bị được sử dụng ..................................... 22
Bảng 3.2 Bảng thống kê số lượng I/O cần sử dụng ............................................. 22
Bảng 3. 3 Thông số module CPU S7 -1200 1214C ............................................. 25
Bảng 3.4 Bảng thông số kĩ thuật cảm biến SF6 ................................................... 27
Bảng 3.5 Thông số kĩ thuật đèn báo động ............................................................ 28
Bảng 3.6 Bảng thông số kĩ thuật Module SM 1231 ............................................. 29
Bảng 3.7 Số lượng module I/O sử dụng cho hệ thống ......................................... 30
Bảng 3.8 Bảng thông số kĩ thuật màn hình HMI ................................................. 31


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ TRẠM GIS – GIS HÀM THUẬN
1.1 Trạm biến áp hợp bộ GIS.
Khái niệm.
Trạm biến áp Gis là trạm dùng thiết bị phân phối kín cách điện bằng khí
SF6. Trong hệ thống sử dụng đóng cắt cơng nghệ GIS, các thiết bị đóng cắt, máy
biến áp, thanh dẫn điện đều được lắp đặt bên trong các ống kim loại hoặc hợp
kim chứa đầy khí SF6 áp suất cao. Thông thường, hệ thống thiết bị GIS được
chia làm nhiều module để thuận tiện trong việc vận chuyển.

Hình 1.1 Cấu trúc trạm Gis

1: Máy cắt
2: Dao cách ly
3: Dao nối đất
4: Máy biến dòng
5: Máy biến áp

6: Đầu cuối gắn cáp
7: Rào cản khí
8: Hỗ trợ chất cách điện

9: Thanh cái chính
10: Thanh cái phụ

Các ưu nhược điểm của trạm Gis.
 Ưu điểm
- Khoảng không gian cần thiết để xây dựng trạm biến áp được giảm
nhiều lần.
- Bảo dưỡng rất ít trong suốt vịng đời của thiết bị
- An toàn cao trong vận hành
- Thuận lợi trong việc bảo vệ môi trường
- Giảm lượng nhân công cần thiết cho vận hành và bảo dưỡng
- Dễ dàng mở rộng quy mô
1


 Nhược điểm
- Chi phí thiết bị cao
- Sửa chữa khó khăn
- Khơng thể tái lập nhanh về điện khi có sự cố
- Phụ thuộc về kỹ thuật
Phân loại.

-

Trạm GIS ngoài trời
Trạm GIS trong nhà
Trạm GIS ngầm
Quy định làm việc an tồn với GIS

(Trích theo Thơng tư Số: 39/2020/TT-BCT BAN HÀNH QUY CHUẨN KỸ

THUẬT QUỐC GIA VỀ AN TOÀN ĐIỆN)
-

-

Trường hợp vận hành bình thường, mọi thao tác phải thực hiện bằng điều
khiển từ xa thông qua giao diện người máy (HMI) hoặc hệ thống giám sát
điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA). Thao tác tại chỗ chỉ được phép
thực hiện khi thiết bị cách điện kín (GIS) khơng có điện.
Phải kiểm tra áp lực khí SF6, tình trạng rị SF6 trong q trình vận hành
hoặc sửa chữa. Khi phát hiện rị rỉ phải có biện pháp ngăn chặn và xử lý.
Khi cách ly thiết bị theo từng phân đoạn, tại mỗi điểm cách ly đều phải
khóa và treo biển cảnh báo.
Xác định GIS đã được cách ly phải thơng qua chỉ thị tại chỗ của thiết bị
đóng cắt, thơng số điện áp của thiết bị.

1.2 Rị rỉ khí SF6 ảnh hưởng đến an tồn điện
Ứng dụng khí SF6
Khí SF6 được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, y tế. Nhưng quan
trọng nhất và chưa thể thay thế được của SF6. Đó là ứng dụng máy cắt điện sử
dụng khí SF6. Điện ln tiềm ẩn nguy hiểm và mất an tồn cao. Vì vậy, chúng ta
vẫn khơng ngừng tìm ra các phương pháp đảm bảo an tồn tối ưu nhất. Và phát
hiện ra ứng dụng của SF6 chính là một cuộc cách mạng an toàn ngành điện. Với
đặc tính cách điện và dễ thu hồi, SF6 được sử dụng là loại khí chính trong máy
cắt điện.
Ảnh hưởng của việc rị rỉ khí SF6
Các máy cắt và thiết bị điện chỉ hoạt động hiệu quả khi lượng khí SF6 trong
máy đạt tiêu chuẩn chất lượng và an toàn. Ngoài ra, chúng còn đảm bảo tuổi thọ
của máy cắt điện. Vì vậy, mọi sự sụt giảm chất lượng hay rị rỉ đều có thể gây ra
mất an tồn. Trường hợp thông thường, máy cắt điện hoạt động sai lệch và khơng

hiệu quả. Nghiêm trọng hơn có thể dẫn đến cháy nổ gây thiệt hại lớn.
Khí SF6 tinh khiết khơng độc nhưng do khi dịng điện cao bị ngắt, phóng
điện hồ quang mạnh sẽ tạo ra một số florua thấp có chứa lưu huỳnh, các chất này
có khả năng phản ứng mạnh, khi có nước và oxy chúng sẽ tiếp tục phản ứng với
vật liệu điện cực và hơi ẩm, do đó phân hủy tạo ra khí độc hoặc rất độc. Các khí
2


độc này chủ yếu gây hại cho hệ hô hấp của con người, sau khi bị nhiễm độc sẽ
xảy ra các phản ứng có hại như cảm lạnh, dị ứng da, buồn nơn, nơn mửa, mệt
mỏi. Sau khi hít phải khí hỗn hợp 80% lưu huỳnh hexafluoride + 20% oxy, cơ
thể con người sẽ bị tê cóng của các chi, và thậm chí nghẹt thở.
 Vì vậy, cần kịp thời phát hiện rị rỉ và khắc phục nhanh chóng.
1.3 Phương pháp phát hiện rò rỉ SF6 hiện nay
 Phương pháp 1: Thủ công
Ban đầu, người ta sử dụng một phương pháp thủ cơng để phát hiện rị rỉ khí
SF6. Cụ thể là sử dụng nước xà phòng hoặc tháo dỡ máy cắt điện và ngâm vào bể
nước. Tuy nhiên, quá trình thực hiện khá phức tạp và khơng chủ động. Khiến
nhiều trường hợp rị rỉ khơng được phát hiện kịp thời. Độ chính xác của phương
pháp cũng khơng cao, khó xác định chính xác vị trí rị rỉ. Ngồi ra còn gây ảnh
hưởng đến nguồn cung điện, mất thời gian, nhân lực và chi phí.
 Phương pháp 2: Sử dụng máy dị khí SF6
Phương pháp thứ hai và được sử dụng hiện nay là máy dị khí SF6. Việc
phát hiện rị rỉ khí SF6 đã trở nên vơ cùng đơn giản và nhanh chóng. Loại máy
này có các cảm biến phát hiện khí SF6 lẫn trong khơng khí. Loại máy mini, máy
cầm tay mang lại tiện lợi cao cho ngành an toàn điện. Với độ cảm biến siêu nhạy,
máy hoạt động rất hiệu quả và cho kết quả nhanh chóng, chính xác.

Hình 1.2 Máy dị cầm tay khí SF6

3


1.4 Giới thiệu trạm biến áp 110kv hợp bộ GIS Hàm Thuận.
Dự án trạm biến áp 110Kv hợp bộ Gis Hàm thuận là một mắt xích quan
trọng của cơng trình nhà máy thủy điện Hàm Thuận. Dự án được khánh thành và
đưa vào hoạt động năm 2001. Được đặt tại xã Đa Mi, huyện Hàm Thuận Bắc,
tỉnh Bình thuận là một trong những dự án hiếm hoi đầu tiên của đất nước ta khi
áp dụng công nghệ Gis vào vận hành sản xuất điện.
 Cơng trình trạm biến áp Gis 110kv Hàm thuận

Hình 1.3 Cơng trình Trạm Gis 110Kv Hàm Thuận

Trong đồ án, hệ thống được thiết kế cho công trình trạm biến áp 110Kv Hàm
thuận. Cấu trúc cơng trình như sau:





Chiều dài: 26600 cm
Chiều rộng: 9000 cm
Chiều cao: 9900 cm
Trạm được thiết kế 5 buồng ống Gis và tất cả thiết bị đều được thực hiện
cách điện bằng khí SF6.
 2 tuyến máy cắt 131 và 100B
 3 tuyến máy cắt cho 3 phát tuyến đầu ra 171, 172 và 173.

4

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Để giám sát quá trình vận hành trạm biến áp hợp bộ Gis, mỗi ngày các kĩ sư
vận hành phải vào phòng Gis để giám sát và ghi thông số các ngăn lộ, máy cắt
máy biến áp, máy biến dịng…30p/ 1 lần. Trong q trình vận hành với đặc tính
của trạm Gis, sử dụng khí SF6 để đóng cắt, dập hồ quang… Vì vậy sự rị rỉ qua
các khớp nối, các đầu của đường ống là điều khơng thể tránh khỏi. Khí SF6 tinh
khiết khơng độc nhưng do khi dịng điện cao bị ngắt, phóng điện hồ quang mạnh
sẽ tạo ra một số florua thấp có chứa lưu huỳnh và gây nên những tổn thương
nguy hiểm cho cả người vận hành và cả thiết bị trạm
Nhận biết được những điều này, qua thời gian thực tập và tìm hiểu, em
quyết định lựa chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát khí SF6 trong
trạm biến áp hợp bộ Gis 110kv” để làm đồ án của mình. Hệ thống được thiết kế
cho tịa nhà Gis 110kv Hàm thuận với mục đích phát triển và ngăn chặn những
sự rị rỉ nguy hiểm, nhằm bảo vệ an tồn tính mạng cho con người và tài sản.
 Nhiệm vụ đồ án
 Thiết kế hệ thống đo khí SF6:
- Thiết kế hệ thống đáp ứng các quy định và tiêu chuẩn vận hành
- Đáp ứng được yêu cầu của chủ đầu tư.
- Tiết kiệm được chi phí.
 Thiết kế hệ thống điều khiển:
- Hiển thị chi tiết trạng thái làm việc của các thiết bị trong hệ thống.
- Điều khiển chế độ vận hành: điều khiển từ xa tại phòng điều khiển
trung tâm hoặc điều khiển trực tiếp tại hiện trường.
 Hiển thị giao diện điều khiển giám sát:
- Hiển thị giao diện hệ thống.
- Giúp người vận hành dễ dàng quản lý hệ thống.
 Hiển thị các sự kiện, cảnh báo:
- Hiện thị các thay đổi trạng thái, đưa ra cảnh báo.

5


CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
KHÍ SF6
2.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển giám sát (SCADA)
SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition - hệ
thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. SCADA là một cơng cụ tự động
hóa trong nhiều lĩnh vực, dùng kỹ thuật vi xử lý – PLC/RTU (Programmaple
Logic Controller/ Remote Terminal Unit), để trợ giúp việc điều hành kỹ thuật ở
các cấp trực điều hành các hệ thống tự động công nghiệp cũng như hệ thống điện.
Hệ thống này cung cấp cho người vận hành những thông tin quan trọng của đối
tượng cần quan tâm và cho phép thực hiện các lệnh điều khiển cần thiết về phía
đối tượng để đảm bảo cho hệ thống hoạt động an tồn và có hiệu quả.
Mọi hệ thống SCADA đều có bốn thành phần chính sau:
 Giao diện q trình hoạt động: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo,
thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành.
 Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu
cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển
logic khả trình PLC (Programmable Logic Controllers) có chức năng
giao tiếp với các thiết bị chấp hành.
 Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp,
các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức
năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
 Hệ thống điều khiển giám sát: bao gồm các phần mềm và giao diện
người – máy HMI (Human - Machine Interface)

Hình 2.1 Mơ hình hệ thống SCADA

Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thơng

qua máy tính và mạng truyền thơng. SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các
hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau:
 Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến.
 Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được.
6


 Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý.
 Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của
nhà máy.
 Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và
chính xác.
2.2 Hệ thống điều khiển giám sát khí SF6
Trong hệ thống điều khiển giám sát khí SF6, thiết bị thu thập dữ liệu trung
gian RTU/PLC là phần tử rất quan trọng, có nhiệm vụ thu thập và phản ánh trạng
thái của các thiết bị đang tham gia hoạt động tại hiện trường. Chất lượng của hệ
thống điều khiển giám sát khí SF6 phụ thuộc rất nhiều vào khả năng hoạt động
liên tục, ổn định và tính chính xác của RTU/PLC. Hệ thống điều khiển giám sát
khí SF6 sẽ có những chức năng riêng biệt, cụ thể như sau :
 Điều khiển:
Lệnh điều khiển từ hệ thống SCADA của trung tâm thông qua kênh
truyền tin gửi đến RTU/PLC đặt tại hiện trường, các lệnh điều khiển có
thể là:
 Lệnh đóng/cắt hệ thống
 Lệnh điều khiển các chế độ ON/OFF Quạt
 Lệnh điều khiển các chế độ ON/OFF Đèn cảnh báo
 Lệnh điều khiển thay đổi giá trị báo động
 Giám sát:
Dữ liệu thu thập từ trạm thu thập dữ liệu trung gian sẽ được máy tính
xử lý:

 Hiển thị tổng quan hệ thống, sơ đồ, bảng biểu.
 Đối với dữ liệu giá trị đo lường, dữ liệu nhận về sẽ được kiểm tra
so sánh ngưỡng trên (đã được định trước), nếu giá trị đo được bị vi
phạm thì hệ thống sẽ phát cảnh báo cho người vận hành.
 Đối với dữ liệu trạng thái (đèn báo, quạt thơng gió…) khi giá trị đo
được vi phạm ngưỡng đặt thì hệ thống sẽ phát ra cảnh báo bằng đèn
và tiến hành chạy quạt thông gió.
 Thu thập dữ liệu:
Dữ liệu từ trạm thu thập dữ liệu trung gian được chia làm 2 loại chính:
 Dữ liệu trạng thái: trạng thái đèn báo động, trạng thái vị trí các cảm
biến đo khí SF6 và trạng thái quạt thơng gió
 Dữ liệu tương tự: Nồng độ khí SF6
Hệ thống đo khí SF6
Hệ thống đo khí SF6 là tổng hợp tất cả các đầu cảm biến khí SF6 thực hiện
đồng thời hai chức năng là đo lường và cảnh báo khí SF6 bị rị rỉ. Đối với hệ
thống điều khiển giám sát khí SF6, đầu báo khí SF6 là một bộ phận rất quan
trọng và phải nhạy cảm khi khơng khí trong khu vực giám sát thay đổi. Người ta
phân bố chúng theo tuyến và số lượng đã quy định trên một diện tích thiết kế.
7


Đèn cảnh báo và quạt thơng gió
Đèn cảnh báo và quạt thơng gió của hệ thống thực hiện nhiệm vụ nhận tín
hiệu báo động từ trung tâm điều khiển, tiến hành phát ra trạng thái báo động cảnh
báo cho người dùng biết có sự cố nguy hiểm và tiến hành điều hịa khơng khí
đem lại sự an tồn cho phịng làm việc.
Vai trò của hệ thống điều khiển giám sát khí SF6.
Với đầu vào là các thiết bị nhạy cảm với khí SF6, hệ thống có thể đo chính
xác lưu lượng khí SF6 bị rị rỉ ra, nhanh chóng phát hiện và báo động, từ đó kích
hoạt các thiết bị tự động báo động và thơng gió giúp cho con người biết được tình

huống đang xảy ra là gì, từ đó có những phương án xử lý phù hợp.
Nhờ vào cơ chế thơng gió tự động, khí SF6 thất thốt ra nhanh chóng được
xử lý. Các nguyên lý điều khiển của quạt là hút gió và thơng gió sẽ dung hịa lại
khơng khí trong phịng giúp kĩ sư làm việc với Gis được an tồn. Cũng nhờ sự
thơng minh của các cảm biến, giúp đo đạc và phát hiện thì kĩ sư sẽ biết được
chính xác chỗ nào đang xảy ra rò rỉ và thực hiện xử lý khắc phục, triệt tiêu rò rỉ.
Hệ thống này đặc biệt cần thiết đối với những phịng Gis có nhiều người
làm việc. Nhờ có chúng mà con người có thể tránh được những mối nguy hiểm
đáng tiếc có thể gây ra hoặc các thiệt hại về vật chất.
2.3 Giới thiệu và lựa chọn phương pháp đo khí SF6
Nguyên tắc phát hiện cảm biến lưu huỳnh hexafluoride (SF6)
Cảm biến lưu huỳnh hexafluoride là cảm biến được thiết kế đặc biệt để
giám sát lưu huỳnh hexafluoride, có thể giám sát hiệu quả nồng độ của lưu huỳnh
hexafluoride, đồng thời báo động kịp thời khi vượt quá giới hạn để nhắc nhở mọi
người khỏi sự nguy hại. Dựa trên các nguyên tắc giám sát khác nhau, có nhiều
phương pháp đo SF6 như: phương pháp ion hóa cao tần, phương pháp quang âm
laze, phương pháp siêu âm, phương pháp quang phổ hồng ngoại…
Phương pháp ion hóa cao tần
Khi giám sát bằng phương pháp ion hóa cao tần, các phân tử khí SF6 có thể
hấp phụ các điện tử và biến chúng thành các điện tử khối lượng, và tốc độ của
chúng trong trường điện từ chậm hơn nhiều so với các điện tử, do đó chất khí sẽ
thể hiện các tính chất điện khác nhau.
Ưu điểm: giới hạn phát hiện thấp hơn, nồng độ SF6 nhỏ hơn 100ppb cũng có thể
được phát hiện mà khơng gây ngộ độc
Nhược điểm: thiết bị phức tạp, tính ổn định cơng việc kém, vận hành không
thuận tiện, cần hiệu chỉnh trước mỗi lần sử dụng, đồng thời rất nhạy cảm với các
khí âm điện khác.
Phương pháp quang âm laze
Phương pháp quang âm laze sử dụng tia laze có bước sóng bằng đỉnh hấp
thụ của khí SF6 để chiếu xạ vào khí đo, khi khí đo có chứa SF6, nó sẽ hấp thụ

năng lượng và nhiệt của laze và giãn nở để tạo ra sóng âm. Hàm lượng SF6 trong
khí đo có thể nhận được bằng cách đo cường độ của sóng âm.
8


Ưu điểm: giới hạn phát hiện thấp hơn, lên đến 1 ~ 10ppb
Nhược điểm: thiết bị phức tạp, giá thành tương đối đắt, có xác suất báo giả nhất
định, phát hiện và lấy mẫu nhiều, tốc độ phản hồi chậm.
Phương pháp siêu âm
Khối lượng phân tử của khí SF6 tương đối lớn, khi khí chứa SF6 thì khối
lượng phân tử trung bình càng lớn, tốc độ âm thanh giảm tương ứng, bằng cách
đo tốc độ âm thanh trong chất khí ta có thể thu được hàm lượng SF6.
Ưu điểm: cơng việc tương đối ổn định, thiết bị đơn giản, giá rẻ
Nhược điểm: độ phân giải thấp, giới hạn phát hiện cao (thường trên hàng trăm
ppm), bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ và độ ẩm, và bị can thiệp nhiều bởi các
khí khác.
Phương pháp quang phổ hồng ngoại (NDIR)
Quang phổ hồng ngoại không tán sắc (NDIR) là một phương pháp sử dụng
cảm biến quang học bao gồm nguồn hồng ngoại (nguồn IR), đường dẫn quang
(Optics Cell), đầu dò hồng ngoại (IR Detector), mạch (Điện tử) và cảm biến khí
thuật tốn phần mềm (Algorithm). Nó chủ yếu được sử dụng để đo các hợp chất,
chẳng hạn như: CH4, CO2, SF6…
Cảm biến NDIR sử dụng nguồn sáng phổ rộng làm nguồn sáng của cảm
biến hồng ngoại. Do khơng có cách tử hoặc lăng kính tách ánh sáng để phân chia
ánh sáng nên nó được gọi là tia hồng ngoại khơng tán sắc. Ánh sáng đi qua khí
đo trong đường quang học, đi qua bộ lọc dải hẹp và đến đầu dò hồng ngoại. Bằng
cách đo cường độ của ánh sáng hồng ngoại đi vào cảm biến hồng ngoại, có thể
phán đốn được nồng độ của khí đo được. Khi mơi trường khơng có khí đo thì
cường độ của nó là mạnh nhất, khi khí đo đi vào buồng khí thì khí đo sẽ hấp thụ
một phần ánh sáng hồng ngoại, do đó cường độ ánh sáng tới đầu báo bị yếu đi.

Bằng cách hiệu chỉnh mức độ hấp thụ và hiệu chuẩn ánh sáng hồng ngoại tại
điểm không và điểm đo, thiết bị có thể tính được nồng độ của khí cần đo.
Ưu điểm: có thể thu được giá trị nồng độ SF6 thực, thiết bị tương đối đơn giản,
thể tích nhỏ, độ chính xác cao, làm việc ổn định, tuổi thọ cao, độ trôi nhỏ, không
nhiễm độc.
Nhược điểm: Giới hạn phát hiện thấp hơn phương pháp ion hóa tần số cao và
phương pháp quang âm laze, cảm biến cần được hiệu chuẩn hàng năm và giá
thành vừa phải
 Qua quá trình tìm hiểu em nhận thấy. Hiện nay để sử dung phát hiện nồng
độ các khí như CH4, SF6, CO2…trong mơi trường thì phương pháp quang
phổ hồng ngoại (NDIR) có sự vượt trội và là phương pháp được tin dùng
nhất hiện nay, thể hiện được sự hiệu quả và ổn định trong mọi địa hình,
nhất là mơi trường làm việc ở trạm biến áp, khắc phục tình trạng nhiễu do
rung lắc…

9


Lý thuyết và hoạt động của cảm biến NDIR:
SF6-IR- Leak and SF6-IR-Monitor, cả hai thiết bị đều sử dụng cảm biến
NDIR (độ hấp thụ hồng ngoại không phân tán) bước sóng kép để theo dõi SF6.
Hầu hết các phân tử có thể hấp thụ ánh sáng hồng ngoại, khiến chúng bị uốn
cong, kéo căng hoặc xoắn lại. Lượng ánh sáng IR được hấp thụ tỷ lệ với nồng độ.
Năng lượng của các photon không đủ để gây ra sự ion hóa, và do đó nguyên tắc
phát hiện rất khác với ngun tắc phát hiện của máy dị quang hóa (PID). Cuối
cùng, năng lượng được chuyển đổi thành động năng, làm cho các phân tử tăng
tốc và do đó làm nóng khí. Mỗi phân tử hấp thụ ánh sáng hồng ngoại ở bước
sóng đại diện cho các loại liên kết hiện có. Ví dụ, SF6 có độ hấp thụ mạnh ở 10,7
µm (947 cm-1, Hình 1), và các liên kết C-H hấp thụ trong khoảng 3,3-3,5 µm tùy
thuộc vào cấu trúc của phần còn lại của phân tử, và H20 hấp thụ trong khoảng 58 µm và dưới 3 µm. Dải hấp thụ SF6 là duy nhất và do đó có tính chọn lọc cao.

Ngược lại, nhiều hợp chất có các liên kết C-H tương tự, và độ hấp thụ này thích
hợp để phát hiện một loạt các hydrocacbon một cách khơng chọn lọc. So sánh
Hình 1 và Hình 2, người ta có thể thấy rằng khơng có nhiễu bởi độ hấp thụ nước
trong phép đo SF6, vì nước khơng có độ hấp thụ ở 10,7 µm (947 cm-1).

Hình 2.2 Phổ hồng ngoại của khí SF6

10


Hình 2.3 Phổ hồng ngoại của nước (khí)

Độ hấp thụ của khí tỷ lệ thuận với nồng độ của nó, tuân theo định luật Lambert
Beer:

Hình 2.4 Nguyên tắc hấp thụ hồng ngoại -dispersive (NDIR)

Khi độ dày của quang lộ (l) tính bằng cm và nồng độ của chất hấp thụ ánh
sáng (c) tính bằng g/L, thì đơn vị của e là 𝑔 𝑐𝑚

𝐴 = 𝑙𝑔

𝐼
= 𝑎𝑐𝑙
𝐼

𝐴
𝑎𝑙
𝐼 = 𝐼 𝑙10
𝑐=

= 𝐼 10
11


Trong đó: I0 là cường độ ánh sáng ban đầu phát ra từ đèn (đo trong khơng khí
tinh khiết), I1 là cường độ ánh sáng tới đầu máy dị (có mặt khí mẫu),
A là độ hấp thụ, a là hệ số tắt mol, l là quang lộ (độ sâu khoang cảm biến), và c là
nồng độ.
 Cảm biến phổ hồng ngoại không phân tán và phân tán:
Thuật ngữ không phân tán đề cập đến thực tế là tất cả ánh sáng đi qua mẫu
khí và chỉ được lọc ngay trước máy dị. Bộ lọc phía trước máy dị loại bỏ tất cả
ánh sáng ngoại trừ ánh sáng ở 10,7 µm, tương ứng với SF6. Bằng cách thay đổi
các bộ lọc ánh sáng, có thể chọn các loại hợp chất khác nhau. Thơng thường, bộ
lọc 3,4 µm được sử dụng để chọn hydrocacbon.

Hình 2.5 IR khơng tán sắc – Tất cả ánh sáng đi qua mẫu

Máy dò hồng ngoại phân tán sử dụng cách tử hoặc lăng kính để chọn trước
bước sóng ánh sáng mong muốn và chỉ truyền bước sóng này qua mẫu khí đến
máy dị. Máy dị hồng ngoại phân tán thường được sử dụng trong các thiết bị
phân tích để bàn vì khả năng qt một dải bước sóng rộng. Tuy nhiên, chúng có
xu hướng lớn hơn, nặng hơn, phức tạp hơn và tốn kém hơn, do đó ít phù hợp hơn
với các dụng cụ cầm tay.

Hình 2.6 IR tán sắc- Chỉ ánh sáng có bước sóng đã chọn mới đi qua mẫu

12

2.4 Mơ hình hệ thống đề xuất
Từ q trình khảo sát nghiên cứu về yêu cầu của hệ thống điều khiển giám sát
khí SF6 em có mơ hình hệ thống đề xuất sau:

Hình 2.7 Mơ hình hệ thống đề xuất

 Phân tích sơ bộ mơ hình đề xuất:
- Cấp vận hành, giám sát bao gồm các trạm vận hành là nơi tiếp nhận và
lưu trữ dữ liệu từ bộ điều khiển. Các hình ảnh đồ họa mơ tả hoạt động
của tồn bộ q trình một cách sinh động và trực quan.
- Cấp điều khiển bao gồm bộ điều khiển là nơi thực hiện các công việc
xử lý và điều khiển tồn bộ hệ thống, nơi xử lý tín hiệu, thực hiện các
thuật toán điều khiển. Các bộ điều khiển trong cấp điều khiển đọc dữ
liệu từ các cảm biến thông qua các chuẩn truyền thông và thực hiện
các lệnh điều khiển xuống cơ cấu chấp hành.
- Cấp hiện trường bao gồm các bộ vào/ra để ghép nối với các sensor, các
cơ cấu chấp hành có chức năng kết nối với các tín hiệu vào/ra và xử lý
sơ bộ trước khi được đưa lên cấp điều khiển.
- Đèn báo động và quạt thơng gió là các thiết bị chấp hành được điều
khiển trong hệ thống

13