Thiết kế hệ thống điều khiển từ xa cho nhà máy thủy điện đồng nai 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hoàn thiện hệ thống điều khiển và giám sát nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 PHAN VĂN THẮNG thang pv161341sis hust edu vn Ngành Kỹ thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa Chuyên ngành Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Đăng Ninh Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp Viện Điện HÀ NỘI, 12021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hoàn thiện hệ thống điều khiển và giám sát nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 PHAN VĂN THẮNG.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hoàn thiện hệ thống điều khiển giám sát nhà máy thủy điện Đồng Nai PHAN VĂN THẮNG thang.pv161341@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Chuyên ngành Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Đăng Ninh Bộ môn: Viện: Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp Điện HÀ NỘI, 1/2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hoàn thiện hệ thống điều khiển giám sát nhà máy thủy điện Đồng Nai PHAN VĂN THẮNG thang.pv161341@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Chuyên ngành Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Đăng Ninh Bộ môn: Viện: Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp Điện Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 1/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc *** - NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên: Phan Văn Thắng Khóa: 61 Viện: Điện Ngành: Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Mã số sinh viên: 20161341 Đầu đề thiết kế/Tên đề tài HOÀN THIỆN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI Các số liệu ban đầu  Sơ đồ thứ trạm đầu nguồn nhà máy thủy điện Đồng Nai  Sơ đồ cấu hình hệ DCS nhà máy  Danh mục điểm đo lường điều khiển Các nội dung tính tốn, thiết kế  Cấu hình hệ thống: - Hiển thị tổng quan hệ thống điều khiển giám sát - Trạng thái làm việc thiết bị hệ thống điều khiển giám sát - Phân cấp thiết bị, xác định lỗi hệ thống - Bổ sung thêm tín hiệu cho hệ thống  Chức điều khiển, vận hành: - Điều khiển chế độ vận hành: Điều khiển từ xa từ phòng điều khiển trung tâm - Điều khiển chế độ ON/OFF - Điều khiển tăng giảm cơng suất từ xa - Có chế độ mô cho người vận hành mà không ảnh hưởng tới hệ thống  Hiển thị giao diện điều khiển giám sát (HMI): - Hiển thị sơ đồ thứ nhà máy - Hiển thị giao diện điều khiển công suất tổ máy - Hiển thị danh sách tín hiệu nhà máy  Hiển thị kiện, cảnh báo: - Hiển thị thay đổi trạng thái, đưa cảnh báo  Cho phép xuất nhập sở liệu trình điều hành trạm: - Lập bảng biểu, đồ thị số liệu theo trình tự thời gian - Hiển thị nhiều trang báo cáo hoạt động thiết bị Cán hướng dẫn Phần Họ tên cán Lý thuyết TS Nguyễn Đăng Ninh Thực hành TS Nguyễn Đăng Ninh Ngày giao nhiệm vụ thiết kế : 15/09/2020 Ngày hoàn thành nhiệm vụ :15/1/2021 Ngày tháng năm CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký, ghi rõ họ tên) Lời cảm ơn Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: Gia đình em, người ủng hộ, động viên quan tâm tới em suốt trình học tập trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các thầy cô môn, giảng viên hướng dẫn ThS Nguyễn Tuấn Ninh người ln quan tâm, theo dõi hỗ trợ em hồn thành đồ án Và người bạn lớp, học tập phịng thí nghiệm ln trao đổi, giúp đỡ, chia sẻ kiến thức kinh nghiệm thực tế cho suốt thời gian thực đồ án Tóm tắt nội dung đồ án Trong đồ án này, em thực thiết kế hệ thống bổ trợ nhằm hoàn thiện hệ thống điều khiển giám sát nhà máy thủy điện Đồng Nai Từ số liệu ban đầu: - Sơ đồ thứ trạm đầu nguồn nhà máy thủy điện Đồng Nai - Sơ đồ cấu hình hệ DCS nhà máy - Danh mục điểm đo lường điều khiển Em tính tốn thiết kế: - Đưa phương án thiết kế - Thực lựa chọn thiết bị phần cứng - Thiết kế giao diện phần mềm cho hệ thống điều khiển giám sát Công cụ sử dụng; - Phần cứng: • Hệ thống PLC AC 700F hãng ABB • Các Module IO thuộc hệ Module S700 hãng ABB • Đồng hồ đa chức Elite 440 - Phần mềm: • Phần mềm SCADA hãng iGrid • Phần mềm Control Builder F-dùng cho cấu hình, lập trình PLC AC700F Kết đồ án: Đồ án thực tất yêu cầu nhiệm vụ thiết kế Đồ án áp dụng thực tế xây dựng hệ thống bổ trợ cho hệ thống điều khiển giám sát nhà máy Thủy điện Đồng Nai nhằm hoàn thiện hệ thống, đáp ứng yêu cầu nhà máy mà trung tâm điều độ hệ thống điện đặt Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU Cấu hình phần cứng cho PLC Control Buider F gồm có: • Module CPU PM 783F để lập trình cấu hình giao thức truyền thơng cho điều khiển • Module DC 732F với Module bao gồm 16 chân input, 16 chân output giúp thu thập tín hiệu trạng thái thiết bị tín hiệu điều khiển Hình 4.30 Lập trình PLC cho hệ thống Các Module chương trình điều khiển PLC bao gồm : - Chương trình thu thập tín hiệu Single point bao gồm tín hiệu cảnh báo tác động - Chương trình thu thập tín hiệu Double point bao gồm tín hiệu trạng thái máy cắt, dao cách ly, tiếp địa - Chương trình điều khiển cơng suất tổ máy H1,H2 4.3 Thiết kế hình điều khiển giám sát (HMI) cho hệ thống 4.3.1 Yêu cầu phần mềm HMI nhà máy Theo yêu cầu thiết kế, giao diện hình điều khiển giám sát (HMI) phải trực quan, thuận tiện, dễ quản lý, giám sát, điều khiển dễ dàng, an toàn độ tin cậy cao Yêu cầu hệ thống giao diện sử dụng: o Hiển thị giao diện giám sát điều khiển tồn hệ thống hình điều khiển trung tâm, trang hình phụ o Hiển thị trạng thái nhà máy: trạng thái máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, việc thay đổi màu sắc tương ứng 56 o Hiển thị tham số giám sát giá trị cơng suất, điện áp, dịng điện mức nước, o Hiển thị thơng báo, thích, lịch sử liệu, o Hiển thị faceplate điều khiển máy cắt, dao cách ly, đặt Setpoint cho tổ máy, Từ yêu cầu phần mềm hệ thống điều khiển giám sát nhà máy tập đoàn điện lực Việt Nam, em lựa chọn phần mềm SCADA iControl hãng iGrid Phần mềm SCADA iControl thích ứng với yêu cầu ứng dụng, từ trạm biến áp nhỏ nhà máy điện , 4.3.2 Giới thiệu phần mềm SCADA iControl Tự động hóa lưới điện yêu cầu sử dụng hệ thống SCADA để kiểm soát sở quản lý toàn mạng Hệ thống SCADA iControl giải vấn đề cách khơng kiểm sốt an tồn sở, mà quản lý mạng lưới hàng ngàn thiết bị số giao thức sử dụng đồng thời Hình 4.31 Phần mềm HMI iControl iControl thiết kế đặc biệt cho ngành lượng, với giao diện đơn giản cho hoạt động cấu hình phù hợp với nhu cầu kiểm sốt tiện ích nào, chuẩn giao thức truyền thông, kiểu RTU để kết nối, kiến trúc (độc lập, Client /Server Redundant) Phần mềm SCADA iControl hoạt động hai chế độ : Runtime Edition mode Mọi hoạt động thiết kế giao diện, tạo biến, thiết lập đồ thị thực chế độ Edition mode 57 Các tính bật phần mềm iControl : - Phần mềm thiết kế với tính phù hợp với dự án điều khiển lượng, hoạt động hiệu suất cao, an tồn dễ sử dụng Hình 4.32 Giao diện hình giám sát - Tính linh hoạt phần mềm iControl giúp có khả kết nối với nhiều hệ thống khác từ đơn giản đến phức tạp Ngồi phần mềm cịn có khả lưu trữ liệu SQL cách nhanh chóng thuân tiện Hình 4.33 Chức lưu trữ SQL - - Hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông công nghiệp: Modbus, IEC 61850,… Ngồi cịn bao gồm giao thức giao tiếp với trung tâm điều khiển trung tâm IEC 60870-5-101/104, DNP3.0 OPC UA Tính Trending giúp hiển thị liệu thời gian thực liệu khứ dạng đồ thị giúp người vận hành quan sát Hiển 58 thị trực quan giá trị tham số thời gian thực với màu sắc riêng biệt tham số Hình 4.34 Tính Trending - Ngồi cịn có tính iControl Web Viewer, giúp quản lý hệ thống từ xa thời gian thực internet Hình 4.35 iControl Web Viewer 4.3.3 Cấu hình lập trình điều khiển phần mềm iConf iConf cơng cụ lập trình cho dịng RTU hãng iGrid công cụ khai báo phần cứng cho HMI iControl Phần mềm iConf cho phép người dùng xây dựng cấu hình cổng giao tiếp, sở liệu đồ họa dự án phần mềm iControl SCADA Các tính bật iConf : - Lập trình điều khiển PLC với loại ngôn ngữ :IL, SFC, LD, FBD, ST - Cấu hình phần cứng truyền thơng cho RTU HMI iControl - Khai báo tag-name địa biến cho RTU HMI iControl - Lập trình PLC cho iRTU HMI iControl 59 - Download upload chương trình từ RTU iConf hỗ trợ sổ Console giúp cho việc kiểm tra truyền nhận tín hiệu RTU Các bước cấu hình phần mềm iControl:  Chọn RTU Hình 4.36 Chọn loại phần cứng (iControl)  Khai báo truyền thông cho thiết bị kết nối Hình 4.37 Khai báo truyền thơng cho thiết bị - TCP/IP: Nhận tín hiệu bổ sung từ AC700F, liệu DCS nhà máy gửi trung tâm điều độ A0, A3 theo giao thức IEC 60870-5-104 COM : Nhận liệu đo lường từ Transducer Elite 440 theo giao thức truyền thông Modbus RTU  Thêm tag-name địa biến 60 Hình 4.38 Khai báo địa tag  Lập trình điều khiển PLC cho thiết bị Sử dụng ngơn ngữ lập trình FBD (Funtion Block Diagram): Hình 4.39 Chương trình điều khiển iControl 4.3.4 Thiết kế giao diện vận hành phần mềm iControl Thiết kế giao diện hình điều khiển giám sát phải trực quan, dễ quản lý, thuận tiện người vận hành trình điều khiển giám sát Từ yêu cầu đặt nhà máy, em thiết kế giao diện tổng quan cho toàn hệ thống với giao diện bổ sung cho hệ thống, giao diện đồ thị & 61 cảnh báo kiện, faceplate cho việc điều khiển đối tượng hệ thống, Đăng nhập vào hệ thống Khi khởi động phần mềm, cần đăng nhập vào hệ thống Tuỳ theo phân quyền người sử dụng đăng nhập vào hệ thống mà có quyền điều khiển chỉnh sửa hệ thống Hình 4.40 Màn hình đăng nhập vào hệ thống Giao diện tổng quan hệ thống Tại trang giao diện giám sát, điều khiển: - Trạng thái thiết bị máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa,…trong tồn nhà máy thơng qua màu sắc Hiển thị trạng thái có điện hay khơng điện đường dây Hiển thị thông số đo lường (P, Q, U, I) 62 Hình 4.41 Giao diện tổng quan Giao diện giám sát điều khiển công suất tổ máy: Tại trang giao diện giám sát, điều khiển: - Các khóa điều khiển để chuyển quyền điều khiển theo cấp vận hành khác Hiển thị trạng thái đường truyền Giá trị công suất công suất phản kháng tổ máy Giới hạn công suất công suất phản kháng Giá trị đặt công suất công suất phản kháng Hiển thị giá trị điện áp đầu cực đặt A0,A3 Hình 4.42 Giao diện điều khiển công suất tổ máy H1 Giao diện giám sát trạng thái tín hiệu rơ le bảo vệ : 63 Tại trang giao diện này, người vận hành giám sát : - Trạng thái tín hiệu rơ le bảo vệ - Thơng số đo lường tổ máy tín hiệu 01 bit bổ sung Hình 4.43 Màn hình hiển thị tín hiệu relay bảo vệ Hình 4.44 Dữ liệu truy xuất iControl Khi cần truy xuất liệu trực tiếp để tạo báo cáo 64 Hình 4.45 Giao diện đồ thị giám sát cơng suất 02 tổ máy Demo : Hình 4.46 Mơ hệ thống phịng thí nghiệm 65 KẾT LUẬN CHUNG Sau 15 tuần thực đồ án tốt nghiệp, giúp đỡ thầy cô môn Kỹ thuật Đo Tin học công nghiệp, đặc biệt hướng dẫn tận tình thầy giáo: TS Nguyễn Đăng Ninh giúp đỡ bạn ngành Em hoàn thành đồ án tốt nghiệp với cố gắng Hồn thiện hệ thống điều khiển giám sát nhà máy thủy điện Đồng Nai 5: Thiết kế phần cứng dựa điều khiển AC 700F, lập trình mơ phần mềm iConf, Freelance, thiết kế giao diện điều khiển giám sát HMI phần mềm iControl Hệ thống đáp ứng tính sau: Hiển thị giao diện điều khiển giám sát HMI: - Hiển thị trạng thái thay đổi trạng thái thiết bị trạm Hiển thị liệu đo lường điện (U, I, P, Q, F, …) vị trí trạm Hiển thị số liệu giám sát dạng đồ thị, bảng biểu theo trình tự thời gian lưu lại giá trị vào sở liệu phục vụ cho công việc lập báo cáo sau Chức điều khiển vận hành: - Điều khiển vận hành từ xa, tác động lên role trung gian để điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng tổ máy Thu thập hết tất liệu thiếu Có chế độ mơ cho người vận hành mà không ảnh hưởng tới hệ thống Hướng phát triển đồ án: Đồ án hồn tồn áp dụng mở rộng cho tồn q trình cơng nghệ hệ thống lại nhà máy Nâng cao khả quản lý, vận hành cho toàn hệ thống nhằm tối ưu hóa việc sản xuất cho nhà máy Đồng thời hoàn thiện hệ DCS/SCADA cho nhà máy thủy điện Đồng Nai TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 [1] Quy trình vận hành Nhà máy Thủy điện Đồng Nai [2] Hoàng Minh Sơn (2006) Mạng truyền thông công nghiệp In lần thứ hai, NXB Khoa học Kỹ Thuật [3] Tài liệu liên quan tới phần mềm SCADA hãng iGrid PLC AC700F hãng ABB phịng thí nghiệm 67 PHỤ LỤC Danh mục điểm đo lường điều khiển: • Các tín hiệu bit • Các tín hiệu bit • Các tín hiệu đo lường 68 MW Công suất tác dụng 1 1 1 MVAr Công suất phản kháng 1 1 1 m Mức nước 48 TOTAL PER BAY : Local - Remote On/Off (TSS) Điều khiển on/off chỗ/ từ xa (TSS) Remote Supervisory Control (TSS) Điều khiển giám sát từ xa (TSS) Circuit Breaker Failure 10 Line Distance Protection Zone - Trip 11 5 0 0 9 3 2 0 0 Lỗi máy cắt 1 Bảo vệ khoảng cách đường dây vùng – Tác động 1 Line Distance Protection Zone - Trip Bảo vệ khoảng cách đường dây vùng – Tác động 1 12 Line Distance Protection Zone - Trip Bảo vệ khoảng cách đường dây vùng – Tác động 1 13 Line Differential Protection - Trip Bảo vệ so lệch đường dây - Tác động 1 Bảo vệ dịng điện có hướng mức – Tác động 1 Bảo vệ q dịng điện có hướng mức – Tác động 1 1 1 1 Directional Earth Fault Prot Level - Trip Bảo vệ chạm đất có hướng mức -Tác động 17 Directional Earth Fault Prot Level - Trip Bảo vệ chạm đất có hướng mức -Tác động 18 Transformer Pressure Relief - Trip Giảm áp máy biến áp – Tác động 1 19 Transformer Pressure Relief - Alarm Giảm áp máy biến áp – Cảnh báo 1 Rơ le bảo vệ Buchholz mức – Tác động 1 Rơ le bảo vệ Buchholz mức – Cảnh báo 1 20 21 1 16 Transformer Bucchholz Prot Level Trip Transformer Buccholz Prot Level Alarm 0 1 1 15 Directional OverCurrent Prot Level Trip Directional OverCurrent Prot Level Trip 14 Tailrace Tailrace Reservior Reservior COMMON Dòng điện (Ia,Ib,Ic) COM 15 Ngăn lộ xuất tuyến 220 kV A 274 Ngăn lộ xuất tuyến 220 kV 273 Ngăn lộ xuất tuyến 220 kV 272 Ngăn lộ xuất tuyến 220 kV Máy biến áp tự dùng số 10kV TD92 Điện áp (Uab,Ubc,Uca) 271 Máy biến áp tự dùng số 10kV TD91 Ngăn lộ tổng 220 kV T2 Thanh 220kV số C22 232 Thanh 220kV số C21 Ngăn lộ tổng 220 kV T1 MÁY PHÁT H2 231 MÁY PHÁT Ngăn lộ 942 942 15 Hiển thị Tổng tín hiệu đo lường Tín hiệu input (1 bit) Ngăn lộ 941 V Ngăn lộ 902 902 Ngăn lộ 901 901 Tần số MÁY BIẾN ÁP Ngăn lộ T2 F MÁY BIẾN ÁP H1 Đo lường STT Tên tín hiệu T1 Loại tín hiệu 941 DANH MỤC CÁC ĐIỂM ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN 22 Transformer Fan Failed - Alarm Quạt làm mát Máy biến áp lỗi – Cảnh báo 1 23 Transformer OverLoad Protection - Alarm Bảo vệ tải – Cảnh báo 1 24 Transformer OverLoad Protection - Trip Bảo vệ tải – Tác động 1 25 Transformer Differential Protection - Trip Bảo vệ so lệch máy biến áp – Tác động 1 26 Non Directional OverCurrent Prot Level - Trip Bảo vệ q dịng điện vơ hướng mức – Tác động 1 69 27 28 29 Non Directional Earth Fault Prot Level Trip UNDER VOLTAGE RELAY OPTD (27) -ALARM 100% STATOR EARTH FAULT RELAY OPTD (27N) Bảo vệ chạm đất vô hướng mức -Tác động 1 Bảo vệ áp- Cảnh báo 1 Rơ le cố chạm đất 100% cuộn Stator 1 30 GENERATOR OVER VOLTAGE RELAY OPTD (59) -TRIP Bảo vệ điện áp – Tác động 1 31 GENERATOR OVER VOLTAGE RELAY OPTD (59) -ALARM Bảo vệ điện áp – Cảnh báo 1 32 STATOR EARTH FAULT PROTECTION RELAY OPTD (59N) Rơ le bảo vệ chạm đất Stator 1 33 ROTOR EARTH FAULT RELAY OPTD (64R) or Zero Seq Prot Rơ le cố chạm đất Rotor 1 34 REVERSE POWER RELAY OPTD (32) or Directional Power Relay Rơ le bảo vệ công suất ngược 1 35 LOSS OF FIELD RELAY OPTD (40) or Excit Lost Rơ le bảo vệ kích từ 1 36 NEGATIVE PHASE SEQUENCE RELAY OPTD (46) Rơ le thứ tự pha nghịch 1 Rơ le bảo vệ cố cầu chì 1 Rơ le bảo vệ góc lệch pha 1 Rơ le tháp tần số -Tác động 1 Rơ le tần -Tác động 1 Rơ le trên/dưới số 1 Rơ le dịnh hướng công suất giai đoạn 1 Rơ le dịnh hướng công suất giai đoạn 1 Bảo vệ máy phát 1 37 38 39 40 41 42 43 44 PT FUSE FAILURE PROTECTION RELAY OPTD (60) OUT OF STEP PROTECTION RELAY OPTD (78) UNDER FREQUENCY RELAY STAGE (81U1) -TRIP OVER FREQUENCY RELAY STAGE (81O1) -TRIP UNDER/OVER FREQUENCY RELAY OPTD (81U/O) SENSITIVE DIRECTIONAL POWER STAGE SENSITIVE DIRECTIONAL POWER STAGE UNIT GT PROT - GEN OVER EXCIT (24) SIGNAL 45 GROUNDED INDICATOR Tín hiệu báo nối đất 1 46 Transformer Differential Protection - Trip Bảo vệ so lệch máy biến áp – Tác động 1 87 TOTAL PER BAY : 19 19 Tổng tín hiệu input (1 bit ) Tín hiệu input (2 bit) 12 12 1 0 0 0 0 10 10 OPEN/CLOSE CB Đóng cắt máy cắt 1 OPEN/CLOSE DS 13 Đóng cắt dao cách ly 1 1 2 OPEN/CLOSE ES 21 Đóng cắt tiếp địa 1 1 4 Tổng tín hiệu input (2 bit ) 37 TOTAL PER BAY : 2 2 7 0 0 0 0 0 0 0 70 ... 3.2 Thiết kế hệ thống 3.2.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển cho hệ thống Hệ thống điều khiển giám sát nhà máy thủy điện Đồng Nai bao gồm hệ thống bổ trợ hoạt động bên cạnh thiết bị hữu nhà máy Hệ thống. .. chuyển điện phát từ đầu cực máy phát đến nơi tiêu thụ 1.2 Nhà máy thủy điện Đồng Nai 1.2.1 Giới thiệu chung nhà máy thủy điện Đồng Nai Đồng Nai nhà máy thủy điện xây dựng sông Đồng Nai Nhà máy thủy. .. thiện hệ thống, việc thiết kế hệ thống bổ trợ cho hệ thống điều khiển giám sát Nhà máy thủy điện Đồng Nai gồm phần : o Lựa chọn thiết bị điều khiển phần mềm giám sát cho hệ thống o Thiết kế giao