Thiết kế hệ thống scadaamr quản lý và vận hành lưới điện trung thẻ tại tỉnh bắc ninh

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN TÙNG LÂM THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA/DMS/AMR QUẢN LÝ VÀ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN TRUNG THẾ TẠI TỈNH BẮC NINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS PHẠM VĂN BÌNH Hà nội - 2014 MỤC LỤC Trang phụ bìa LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài 2 Lịch sử nghiên cứu phát triển lưới điện thông minh (Smat Grid) 3 Mục tiêu nhiệm vụ luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA/DMS/AMR QUẢN LÝ GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU Hệ thống quản lý, giám sát, điều khiển thu thập liệu (SCADA) .7 1.1 Phần cứng hệ thống SCADA .9 1.2 Kết nối truyền thông hệ thống SCADA 13 1.3 Phần mềm hệ thống SCADA 18 1.4 Chức hệ thống SCADA 19 Hệ thống phần mềm trợ giúp vận hành lưới điện phân phối (DMS) 20 Hệ thống đo đếm điện từ xa (AMR) .21 3.1 Các giải pháp thu thập truyền tải liệu đo đếm điện từ xa 22 3.2 Ứng dụng hệ thống đo đếm điện từ xa (AMR) 27 3.3 Lợi ích hệ thống đo đếm điện từ xa AMR 29 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN KỸ THUẬT THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA/DMS/AMR QUẢN LÝ VÀ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP TẠI TỈNH BẮC NINH 31 Đặc điểm địa lý tỉnh Bắc ninh 31 Lưới điện tỉnh Bắc ninh 33 2.1 Tổng quan lưới điện tỉnh Bắc ninh 33 2.2 Tình hình cung cấp điện 33 Phân cấp điều độ hệ thống điện Việt Nam .34 Chức hệ thống SCADA/DMS/AMR .36 4.1 Mục tiêu xây dựng hệ thống SCADA/DMS/AMR 36 4.2 Chức hệ thống SCADA/DMS/AMR .37 Phương án kỹ thuật công nghệ thiết kế hệ thống SCADA/DMS/AMR 42 5.1 Hệ thống trung tâm 43 5.2 Thiết bị đầu cuối trạm 44 5.3 Kết nối với công tơ điện tử khách hàng 47 5.4 Hệ thống viễn thông .47 5.5 An toàn, bảo mật cho hệ thống SCADA/DMS/AMR 48 CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA/DMS/AMR 50 Hệ thống trung tâm 50 1.1 Các máy tính chủ ứng dụng 50 1.2 Thiết bị chuyển mạch Ethernet (Switch) 51 1.3 Thiết bị chuyển đổi quang điện 52 1.4 Thiết bị đồng thời gian 53 1.5 Các thiết bị mạng LAN/WAN 54 Thiết bị trạm 110KV 54 2.1 Thiết bị điều khiển lập trình (DPAC - Discrete Programmable Automation Controller) 54 2.2 Thiết bị chuyển đổi giao diện kết nối mạng LAN .56 2.3 Thiết bị chuyển mạch Ethernet (Switch) 57 2.4 Thiết bị Router/Firewall 58 Thiết bị trạm trung gian 35KV/10KV/6KV 60 3.1 Máy tính công nghiệp bị thu thập xử lý liệu 60 3.2 Thiết bị điều khiển khả trình (PLC-Programmable Logic Controller) 61 3.3 Các thiết bị khác .63 Thiết bị điều khiển máy cắt tự động đóng lại (Recloser) .63 Đồng hồ đo đếm điện nhiều biểu giá .65 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG SCADA/DMS/AMR QUẢN LÝ VÀ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN TRUNG THẾ TẠI TỈNH BẮC NINH 67 Kết nối thiết bị phần cứng hệ thống trung tâm .67 Kết nối thiết bị phần cứng số trạm điển hình .69 2.1 Trạm 110kV Khắc Niệm 69 2.2 Trạm trung gian Đông Côi .71 2.3 Trạm trung gian Chờ 72 2.4 Trạm trung gian Đơng Bình 74 2.5 Trạm trung gian Thị Xã Bắc Ninh 75 2.6 Trạm trung gian Quế Võ 76 Kết nối thiết bị điều khiển máy cắt đóng lặp lại (Reclosers) 78 Kết nối công tơ khách hàng 79 CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG PHẦN MỀM SCADA/DMS/AMR QUẢN LÝ VÀ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN TRUNG THẾ TẠI TỈNH BẮC NINH 80 Hệ điều hành 80 Thu thập liệu quản lý truyền tin (DA) 80 2.1 Phần mềm kết nối thông tin: 80 2.2 Kết nối liệu với trung tâm giám sát điều khiển từ xa 82 2.3 Giám sát mạng thông tin 114 Phần mềm quản trị sở liệu thời gian thực 116 3.1 Nguồn liệu thời gian thực 117 3.2 Quản lý sở liệu thời gian thực 118 3.3 Điều khiển thu thập liệu: 119 Phần mềm SCADA/DMS/AMR 120 4.1 Phần mềm giao diện HMI 120 4.2 Ứng dụng quản lý lưới phân phối, báo cáo vận hành 127 4.3 Ứng dụng tự động hóa lưới điện phân phối 129 4.4 Ứng dụng dự báo phụ tải 133 4.5 Module dự báo phụ tải 136 Phần mềm quản trị hệ thống đo đếm 139 5.1 Mô-đun giao diện quản lý đo đếm, giám sát chất lượng điện .139 5.2 Kiểm tra đắn liệu 141 5.3 Phần mềm báo báo lập hóa đơn .142 Hệ thống liệu khứ (HIS) 142 6.1 Xử lý lưu trữ liệu 144 6.2 Khả tính tốn trình diễn 146 6.3 Tính tốn 146 6.4 Khả lưu trữ lâu dài Dữ liệu khứ .147 6.5 Hệ thống cổng liệu thời gian thực 147 KẾT LUẬN 150 Kết luận 150 Kiến nghị 150 TÀI LIỆU THAM KHẢO 151 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn luận văn kết nghiên cứu thân thực hướng dẫn PGS.TS PHẠM VĂN BÌNH đóng góp ý kiến bạn đồng nghiệp Những số liệu đưa hồn tồn trung thực, khơng vi phạm quyền tác giả Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Tùng Lâm DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ viết tắt Diến giải AMR : Automated Meter Reading Hệ thống đo đếm điện từ xa APDU : Application Protocol Data Unit Giao thức liệu dịch vụ ASDU : Application Service Data Unit Dữ liệu dịch vụ AS : Application Server Máy chủ ứng dụng BCU : Bay Control Unit Bộ điều khiển mức ngăn DMS : Distribution Management System Hệ thống phần mềm trợ giúp cho vận hành lưới điện phân phối đơn vị điều độ HMI : Human Machine Interface Giao điện người - máy LAN : Local Area Network Mạng máy tính cục LPDU : Link Protocol Data Unit Giao thức liên kết liệu LPCI : Link Protocol Control Information Giao thức liên kết kiểm sốt thơng tin LSDU : Link Service Data Unit Liên kết liệu dịch vụ PCBN : Power company of Bac ninh PCU : Process Communication Unit Xử lý truyền thông RCS : Remote Communication Server Máy chủ truyền thông Công ty điện lực Bắc ninh RTU : Remote Terminal Unit Thiết bị đặt trạm điện phục vụ việc thu thập biến đổi liệu để truyền máy tính trung tâm hệ thống SCADA đơn vị điều độ SCADA : Supervisory Control And Data Acquisition Hệ thống giám sát, điều khiển thu thập liệu vận hành hệ thống điện truyền hệ thống máy tính trung tâm để xử lý hiển thị đơn vị điều độ UDS : Universal Data Server WAN : Wide Area Network Mạng diện rộng DANH MỤC CÁC CÁC ĐỊNH NGĨA, KHÁI NIỆM HỆ THỐNG ĐIỆN : Bao gồm có NHÀ MÁY ĐIỆN, LƯỚI ĐIỆN HỘ TIÊU THỤ liên kết với thành hệ thống để thực trình sản xuất, truyền tải, phân phối tiêu thụ điện NHÀ MÁY ĐIỆN : Là nơi sản xuất (chuyển đổi) dạng lượng khác (nước, than, khí, ánh sáng, sức gió ) điện VD: Nhà máy nhiệt điện: Phả lại, ng bí …; Nhà máy thủy điện: Hịa Bình, Sơn La ; Nhà máy điện hạt nhân: Ninh thuận (dự kiến triển khai xây dựng giai đoạn 2012 ÷ 2017, cơng suất 2000 MW) LƯỚI ĐIỆN : Làm nhiệm vụ truyền tải phân phổi điện từ nơi sản xuất đến hộ tiêu thụ Lưới điện bao gồm đường dây truyền điện trạm biến áp + Lưới hệ thống : Nối nhà máy điện với với nút phụ tải khu vực Ở Việt Nam lưới hệ thống Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia (A0) quản lý vận hành mức điện áp siêu cao áp 500kV (là cấp điện áp danh định 220kV) + Lưới truyền tải : Từ trạm trung gian khu vực đến cao áp cung cấp điện cho trạm trung gian địa phương Ở Việt Nam lưới truyền tải Trung tâm điều độ hệ thống điện Miền Bắc (A1), Miền nam (A2), Miền trung (A3) quản lý vận hành mức điện áp cao áp (là cấp điện áp danh định 35kV đến 220kV) + Lưới phân phối (Lưới điện trung áp): Từ trạm trung gian địa phương đến trạm phụ tải (trạm phân phối) Lưới điện trungng áp (là cấp điện áp danh định từ 1000V đến 35kV) phân phối hạ áp (380/220V) điện lực tỉnh quản lý HỘ TIÊU THỤ : Là khách hàng sử dụng điện chia thành nhóm sau: + Hộ loại : Hộ tiêu thụ quan trọng ngừng cung cấp điện gây nguy hiểm đến sức khỏe tính mạng người, gây thiệt hại lớn kinh tế, an ninh, quốc phòng + Hộ loại : Nếu ngừng cung cấp gây thiệt hại kinh tế trình sản xuất bị gián đoạn + Hộ loại : Là hộ cịn lại DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Hệ thống quản lý, giám sát, điều khiển thu thập liệu (SCADA) Hình 2: Thiết bị đầu cuối (RTU) điển hình Hình 3: Hệ thống SCADA nguyên khối (Monolithic) 14 Hình 4: Hệ thống SCADA phân bố (Distributed) .15 Hình 5: Hệ thống SCADA Mạng lưới (Networked) 17 Hình 6: Cấu hình chung phần mềm hệ thống SCADA 19 Hình 7: Thu thập truyền tải liệu qua đường dây tải điện (PLC-AMR) 22 Hình 8: Thu thập truyền tải liệu qua sóng vơ tuyến (RF-AMR) .23 Hình 9: Thu thập truyền tải liệu tới thiết bị đọc số cầm tay .24 Hình 10: Thu thập truyền tải liệu qua mạng Telephone CDMA/3G/GSM 25 Hình 11: Thu thập truyền tải liệu qua mạng thông tin di động, mạng internet 25 Hình 12: Thu thập truyền liệu qua mạng IP (WAN Internet) 26 Hình 1: Bản đồ địa lý tỉnh Bắc ninh 32 Hình 2: Đồ thị tăng trưởng phụ tải điện tỉnh Bắc Ninh (2001÷2008) 34 Hình 3: Cấu trúc bảo mật hệ thống SCADA/DMS/AMR 48 Hình 1: Tủ máy tính chủ 50 Hình 2: Thiết bị chuyển mạch Ethernet (Switch) 51 Hình 3: Thiết bị chuyển đổi quang điện 52 Hình 4: Đồng hồ GPS .53 Hình 5: Mặt trước mặt sau Rơle SEL-2440 55 Hình 6: Sơ đồ chức Rơle SEL-2440 55 Hình 7: Thiết bị chuyển đổi giao diện RS232/485-Ethernet 56 Hình 8: Thiết bị chuyển mạch Ethernet (Switch) .57 + Thanh Statusbar hiển thị thời gian từ lúc chạy chương trình đến thời điểm tên file mà liệu lưu trữ về, tên file đặt theo quy ước năm-tháng-ngày Hình 39: Màn hình - Màn hình Đồ thị cơng suất tác dụng thời gian thực: Màn hình cho người dùng biết hình dạng cơng suất tác dụng theo thời gian thực Mỗi phút giá trị công suất cập nhật lần vẽ lên đồ thị Bên thông tin ngày tháng, công suất cực đại, cực tiểu, điện tiêu thụ,… Hình 40: Màn hình đồ thị công suất tác dụng thời gian thực 137 - Màn hình đa đồ thị: + Màn hình đa đồ thị cho phép hiển thị đồ thị Công suất tác dụng thời gian thực Bên cạnh cho phép người dùng chọn xem đồ thị ngày hôm trước, đồ thị ngày chọn bất kỳ, đồ thị dự báo phụ tải + Cập nhật đồ thị dự báo phụ tải: Khi người dùng nhấn phải chuột chọn Update Forecast Trend, chương trình tự động tìm file dự báo (*.fdm) tương ứng với ngày để cập nhật Nếu khơng tìm thấy chương trình báo Not avaiable thay cho ngày dự báo + Cập nhật giá trị công suất tác dụng cho phép: Để cập nhật giá trị công suất tác dụng cho phép, người dùng nhấn phải chuột chọn Update Avaiable Active Power điền giá trị công suất vào hộp thoại Nếu giá trị hợp lệ, chương trình lưu lại để hiển thị lên đồ thị Hình 41: Màn hình đa đồ thị 138 Phần mềm quản trị hệ thống đo đếm 5.1 Mô-đun giao diện quản lý đo đếm, giám sát chất lượng điện Phần mềm giao diện cho phép nhân viên liên quan BNPC thực thao tác vận hành việc thu thập, kiểm tra giám sát hệ thống đo đếm hệ thống liên quan:  Giao tiếp với phần mềm chương trình khác  Phân quyền truy cập khác cho người dung  Sử dụng windows để vào duyệt kết  Nhập liệu tay  Đưa thông báo cảnh báo phân loại cho liệu thu thập tính tốn Hệ thống cơng tơ hệ thống đường truyền tới công tơ giám sát online để đưa cảnh báo kip thời tình trạng đường truyền tình trạng làm việc cơng tơ như:  Lỗi đường truyền  Mất áp công tơ  Dữ liệu công tơ bị đo đếm sai  Cảnh báo truy nhập công tơ trái phép  … Hệ thống cảnh báo gửi email tin nhắn SMS cho người có liên quan phát sinh lỗi từ công tơ đường truyền giúp khắc phụ nhanh cố, khôi phụ nhanh công tác đo dếm cơng tơ 139 Hình 42: Hiển thị thông báo lỗi áp công tơ Hệ thống cịn có khả lưu trữ quản trị tài sản (công tơ, CT, VT, thiết bị viễn thông, ) thông tin khách hàng đồ số hệ thống SCADA Các thông tin quản lý bao gồm:  Thông số kỹ thuật lý lịch thiết bị công tơ thiết bị liên quan,  Mô tả kỹ thuật phân chia ranh giới đo đếm,  Dữ liệu đăng ký khách hàng đơn vị liên quan đến ranh giới,  Và liệu cần thiết khác mà người sử dụng cần theo qui định 140 Hình 43: Giao diện phần mềm quản trị hệ thống 5.2 Kiểm tra đắn liệu Hình 44: Validation window kiểm tra tính đắn liệu Việc phân tích liệu đo đếm từ cơng tơ xác nhận đắn (validation) chức kiểm tra liệu Việc kiểm tra dựa vào liệu khứ ghi lại hệ thống trung tâm, liệu thay 141 liệu từ nguồn khác từ báo cáo vận hành khác thời gian liệu bị sai Ví dụ, hệ thống sử dụng liệu khứ, mẫu biểu đồ phụ tải, giá trị tương ứng,… để so sánh kiểm tra dạng phụ tải đưa cảnh báo giá trị đo đếm nhận có sai khác với thơng thường cao 200% thấp 50% 5.3 Phần mềm báo báo lập hóa đơn Giải pháp sử dụng hệ thống liệu thời gian thực khứ tiên tiến nên hệ thống gần hạn chế loại báo cáo Khả cho phép người dùng truy cập vào sở liệu qua ODBC SQL cho phép khả tùy biến kiểu báo cáo xuất liệu mà người sử dụng mong muốn Hình 45: Giao diện phần mềm báo cáo lập hóa đơn Hệ thống liệu khứ (HIS) Hệ thống liệu khứ (HIS) liệu tất thông tin trình vận hành hệ thống điện HIS xây dựng theo công nghệ clientserver 142 Phần mềm HIS dùng hệ thống phát triển từ “Plant Information” OSI Inc (USA) cung cấp HIS có khả lưu trữ liệu tất thông tin đưa từ hệ thống “real-time” hệ thống điện Dữ liệu lưu trữ độ phân giải định dạng ban đầu thời gian năm Hệ thống hỗ trợ loại liệu dạng: integer, float 32 bits, float 64, float 16, Boolean, Digital, loại liệu định nghĩa người dùng Đa mức truy nhập khả ngăn chặn khác truy nhập không uỷ quyền ưu hệ thống HIS - By exception: Khả lưu trữ thay đổi xảy hệ thống điện ngưỡng định nghĩa trước - Periodically: Người dùng đặt tần suất lưu trữ xuống tới khoảng cỡ mini giây cấu hình riêng cho điểm liệu lưu trữ - Selectively: Lựa chọn tương ứng với liệu cho mục đích truy vấn cơng tác dự báo HIS sử dụng thuật toán nén lưu trữ liệu ưu việt cho phép truy xuất tới liệu nhanh cỡ giây tiết kiệm dung lượng thiết bị lưu đảm bảo làm việc liên tục năm Hơn nữa, liệu SOE lưu trữ với độ phân giải cỡ msec HIS hỗ trợ công cụ giao tiếp chuẩn kiểu OLEDB ODBC, cho phép truy xuất mạng EVN Truy xuất sở liệu đảm bảo ngăn chặn "firewall" tới chức điều khiển trạm Các thông tin lưu trữ HIS truy xuất bằng:  Trình truy vấn SQL  Các ứng dụng kiểu Office Dữ liệu HIS lưu trữ dự phòng ổ cứng khác cách tự động Hệ thống thông tin khứ dùng cho vẽ đồ thị xu hướng, tạo báo cáo, đưa tình trạng hoạt động thiết bị máy cắt, máy biến áp khoảng thời gian định trước 143 Người dùng uỷ quyền truy nhập tới khai thác thông tin lưu trữ HIS thơng qua:  Các máy tính trạm vận hành  Các máy tính chỗ có kết nối tới mạng LAN hệ thống  Các máy tính từ xa kết nối tới mạng LAN hệ thống 6.1 Xử lý lưu trữ liệu Tất liệu thông số lưu trữ sở liệu HIS gắn kèm theo thông tin thời gian Các thông số liệu xử lý lưu trữ sở liệu HIS bao gồm:  Dữ liệu trạng thái có đánh dấu chất lượng điểm trạng thái,  Dữ liệu tương tự có đánh dấu chất lượng,  Dữ liệu tích luỹ có đánh dấu chất lượng điểm đo tích luỹ,  Các thơng tin cảnh báo,  Dữ liệu trình tự kiện (SOE),  Kết tính tốn ứng dụng,  Thông tin nhập liệu tay với thời gian tương ứng Data Access Package (DAP) dùng để truy xuất liệu liệu theo kiểu “relational database” Hệ thống liệu lưu trữ đưa xác thơng tin kiện xảy lưu lượng thông tin lớn với nguyên mẫu thời gian liệu xử lý Bộ liệu tạo thành từ liệu đo, tính tốn (trạng thái, giá trị tương tự, giá trị tích luỹ,…) với mã chất lượng theo thời gian quét áp dụng cho nó: Ít giây; Một giây; Một phút; Một giờ; Một tháng; Một năm; Hay khoảng thời gian khác - Khoảng thời gian lưu trữ không giới hạn (chỉ phụ thuộc vào thiết bị phần cứng) - Không giới hạn lượng liệu khứ xem lại in - Khả nén liệu đạt hiệu cao - Truy xuất liệu nhanh, vài giây để thu thập lại thông tin 10 năm 144 - Tạo báo cáo loại liệu nào, thời điểm khoảng thời gian - Hệ thống Data Playback có khả đưa tất loại liệu theo yêu cầu - Hỗ trợ nén, lọc nhân theo tỉ lệ tag đầu vào cho phép chuyển đổi tới giá trị tính tốn kỹ thuật thực tế - Có thể định nghĩa tên riêng cho tên biến (tag) - Khả lựa chọn theo thời gian trình xử lý điều khiển - Có thể thu nhận liệu từ OPC DA Servers - Phù hợp với đặc tính kỹ thuật truy xuất liệu OPC 1.0a, 1.0, 2.0 - Có thể cung cấp liệu tới OPC HDA Clients - Cho phép browsing tới OPC Tag - Tính bảo mật truy xuất tới tất tag - Dễ dàng cấu hình hệ thống - Các định dạng báo cáo lưu lại sử dụng nhiều lần - Dữ liệu khứ đưa file định dạng CSV, HTML, XLS - Giá trị min, max, trung bình khoảng thời gian tính tốn hiển thị - Hình ảnh chung liệu khứ hiển thị lưu lại - Vùng đồ hoạ mở rộng (expanded) thay đổi điểm nhìn (panned) dễ dàng - Hỗ trợ in theo kiểu giấy xoay ngang đứng - Có thể bật tắt ghi điểm đưa dạng đồ hoạ - Và nhiều ứng dụng khác cho phép hiển thị, thu thập, tính tốn,… liệu Để đảm bảo tính tồn vẹn xác liệu khứ HIS, liệu nguyên khơng thay đổi Tuy nhiên người dùng copy tồn liệu đó, thay đổi cho mục đích phân tích, nghiên cứu 145 6.2 Khả tính tốn trình diễn HIS có khả năng:  Tính tốn tồn phần thông tin lưu lại kết  Giám sát thông tin lưu trữ  Lưu trữ dự phịng thơng tin nhớ dự phịng 6.3 Tính tốn HIS cho phép thực tính tốn liệu lưu trữ HIS có khả tính tốn in báo cáo:  Thực tính tốn định trước liệu khoảng thời gian xác định  Tính tốn giá trị tính tốn số Các tính tốn định nghĩa người dùng Tính tốn thực có kiện liên quan theo thời gian thu thập liệu tính tốn Các kiểu tính tốn cung cấp bao gồm:  Tổng giá trị đo dạng số thực, giá trị dạng nguyên, dạng số tự nhiên  Giá trị tuyệt đối  Phép nhân dạng số thực, giá trị dạng nguyên dạng số tự nhiên  Phép chia với số dạng số thực, giá trị dạng nguyên dạng số tự nhiên  Bình phương luỹ thừa bậc  Các phép tốn tính luỹ thừa bậc cao  Kiểm tra điều kiện (>, >=, = =,