Hợp tác nghiên cứu phát triển tổ máy thủy điện nhỏ và hệ thống tự động hoá cho trạm thủy điện nghiên cứu tình hình sử dụng thiết bị đo lường điều khiển tự động hoá (đl đk tđh), xây dựng sơ đồ công nghệ đl đk tđh

Trang 1

< RAISE BKHCN d2|xš VKHTL BỘ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

VIEN KHOA HOC THUY LOI 171 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội Báo cáo chuyên đề Đề tài:

HỢP TÁC NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN TỔ MÁY THỦY ĐIỆN NHỎ

VÀ HỆ THỐNG TU DONG HOA CHO TRAM THUY DIEN Nội dung: NGHIÊN CỨU TÌNH HÌNH SỬ DỰNG THIẾT BỊ ÐL - ĐK - TĐH,

Trang 2

MỤC LỤC

L0 c0 0 = 1

1.1 Chức năng, nhiệm vụ của hệ thốỐng -<- 5= <ssesssesesesseetesesssesrse 1 1.2 Su phat triển của hệ thống trong và ngồi "ƯỚC . s«-<cs<cscs«csse 3

II LÝ THUYẾT CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐL - ĐK - TĐH 4

IL1 Các nguyên lý đo lường và phát hiện hư hỏng trong hệ thống điện 4

H2 Các khái niệm cơ bản của điều khiỂn 5ses<cscsxeseserssscre 8

II CÔNG NGHỆ ĐL- ĐK - TĐH TRONG CÁC TTĐ CŨ 12

IV CONG NGHE DL - DK - TDH AP DUNG TAI CÁC TTĐ MỚI 18

IV.1 Công nghệ đo lường ecscse<css sex TH H0 nga enge re re 22

IV.2 Công nghệ điều khiển tự động hố -«s<csxsseeeessssrnssnsese 30

Trang 3

I TONG QUAN

1.1 Chifc nang, nhiệm vụ của hệ thống trong

Hệ thống ÐĐL- ĐK- TĐH là một hệ thống gắn kết không thể tách rời các trạm Thủy điện Các thông số đo lường được truyền tới hệ thống điều khiển và tự động hoá, hệ thống này sẽ vận hành các thiết bị theo chương

trình đặt sẵn đảm bảo an toàn cho toàn bộ các hệ thống trong trạm thủy điện

dụng,

Hệ thống đo lường phải đảm nhiệm các công việc sau:

Đo và hiển thị kịp thời các thông số:

- Mực nước thượng, hạ lưu nhà máy, lưu lượng từng tổ máy - Nhiệt độ các ổ trục của tổ máy

- P,Q,1,U,KWh của mỗi tổ máy và trên các đường dây

- Công suất và điện năng phụ tải tự dùng

- VỊ trí đóng, mở các cửa van của đập tràn, cửa lấy nước - Áp lực dầu của hệ thống dầu cao áp

Chức năng lưu trữ và quản lý dữ liệu:

Các thông số điện của tổ máy: điện áp, cường độ, tần số, công suất tác công suất phản kháng và điện năng

Dữ liệu trạng thái của các thiết bị tồn nhà máy

Thơng số nhiệt của các điểm đo

Mực nước ở bể áp lực, sau lưới chắn rác và ở hạ lưu nhà máy

Tín hiệu bảo vệ của máy biến áp chính

Chuyển đổi điều kiện làm việc của tổ máy

Hiển thị dữ liệu và ¡n ấn: in các thông số tổ máy trong quá trình làm

việc, gọi lai va in cdc bang dữ liệu trước đây, đặt thời gian in cho bảng dữ liệu

Sau khi có tín hiệu đo đưa về để hiển thị tại phòng điều khiển trung tâm, các tín hiệu này được xử lý và chuyển cho hệ thống điều khiển tự động hoá

Hệ thống này đảm nhiệm việc điều khiển, giám sát hoạt động của các hạng

Trang 4

Khởi động tổ máy ở chế độ bình thường, hoà điện của các tổ máy lên lưới

Điều chỉnh công suất P, Q từ khoá lệnh của Bảng điều khiển chính Tự động duy trì điện áp và tần số ở thanh cái của nhà máy

Ngừng tổ máy bình thường, ngừng sự cố

Ghi chép sự cố và xác định điểm sự cố trên đường dây Điều khiển tự động các hệ thống phụ của nhà máy như: + Hệ thống khí nén + Hệ thống đẩu áp lực + Hệ thống bơm tiêu nước + Hệ thống cứu hoả + Hệ thống cấp nước kỹ thuật Điều khiển tự động, từ xa các hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công của công trình: + Đóng, mở các cửa van đập tràn + Đóng, mở cửa nhận nước Tự động đóng nguồn dự phòng ở hệ thống phân phối tự dùng xoay chiều 0,4kV và hệ thống một chiều 220V Chức năng điều khiển:

Điều khiển khởi động và dừng tổ máy Điều chỉnh tải tổ máy

Báo lỗi và sự cố: Báo hoạt động bảo vệ máy phát, báo nhiệt độ của tổ

máy, báo sự cố của tua bin và máy phát, báo sự cố máy biến áp chính Truyền thông trong và ngoài nhà máy:

Truyền thông với khối điều khiển của nhà máy Truyền thông với khối chung của nhà máy

Truyền thông với thiết bị điều khiển và bảo vệ biến áp chính

Trang 5

1.2 Sự phát triển của hệ thống trong và ngoài nước

Ở các nước công nghiệp phát triển, hệ thống này rất phát triển, được

tiêu chuẩn hố thành các mơ đun Khách hàng chỉ việc lựa chọn mua về và lắp

đặt theo hướng dẫn, tiêu biểu như hệ thống Power base (Canada), Alstom

(Pháp) Thiết bị hiển thị lấy tín hiệu từ các sensor, biến đổi các tín hiệu áp

suất, vòng quay thành các tín hiệu điện và được thể hiện trên thiết bị hoặc trên màn hình máy tính của phòng điều khiển trung tâm Các thiết bị đo được chế

tạo rất nhỏ gọn có nhiều chức năng, dùng các phím chuyển mạch để chọn lựa

thông số cần thể hiện có giao tiếp truyền thông RS323 hoặc 485 để truyền tín hiệu tới máy tính

Tại Việt Nam hiện tại vẫn chưa có cơ quan nào chuyên sản xuất thiết bị

Trang 6

II LÝ THUYẾT CHUNG VE HE THONG DL - ĐK - TĐH

L1 Các nguyên lý đo lường và phát hiện hư hỏng trong hệ thống điện HI.1.1 Đo lường cho mục đích bảo về

a/ Đo lường một đại lượng đầu vào

Đại lượng đầu vào X của rơle thường là những đại lượng tương tự

(dòng điện, điện áp, góc pha giữa dòng và áp .) được lấy ra từ phía thứ cấp của máy biến dòng điện và máy biến điện áp

Trị số hiệu dụng, trị số tuyệt đối hoặc trị số tức thời của đại lượng đầu vào này được so sánh với ngưỡng tác động X,, cha role, còn gọi là trị số chỉnh định của rơle Nếu đại lượng đầu vào biến thiên vượt quá (đối với loại rơle cực đại) hoặc thấp hơn (đối với loại rơle cực tiểu) ngưỡng chỉnh định thì rơle sẽ tác động Sau khi tác động xong nếu đại lượng đầu vào biến thiên theo chiều ngược lại và vượt quá trị số X„, rơ le sẽ trở về trạng thái ban đầu trước lúc khởi động X,„ được gọi là ngưỡng trở về hoặc trị số trở về Trị số trở về và tri số khởi động liên hệ với nhau qua hệ số trở về: |

kế» >>

Khái niệm rơle cực đại (tác động khi đại lượng đầu vào tăng) và rơle cực tiểu (tác động khi đại lượng đầu vào giảm) có ảnh hưởng đến cấu trúc của rơle điện cơ (cuộn dây, lò xo, tiếp điểm) Đối với rơle tĩnh và rơle số chức

năng cực đại hoặc cực tiểu có thể dễ dàng đổi lẫn cho nhau bằng phép tính

nghịch đảo tín hiệu logic đầu ra của role b/ So sánh nhiều đại lượng đầu vào:

Rơ le có thể tác động trên cơ sở so sánh nhiều đại lượng đầu vào

Nhiều loại rơle hiện nay như khoảng cách, so lệch, định hướng công suất

làm việc với hai đại lượng đầu vào Với loại rơle này người ta thường dùng hai nguyên lý so sánh: so sánh biên độ và so sánh pha

Trang 7

rơle khởi động còn đại lượng kia (X,) tác động theo chiều hướng ngược lại

(hãm, cản trở rơle tác động) Tín hiệu đầu ra Y của rơle sẽ xuất hiện khi

>

bị

Trong đó pe - tin higu ddng vao khdi dong

X,| - tin hiéu dau vao ham

Nguyên lý so sánh biên độ hai đại lượng điện được sử dụng trong bảo vệ so lệch và bảo vệ khoảng cách

*So sánh pha: So sánh pha phản ánh góc lệch pha giữa các đại lượng

đầu vào, nếu góc lệch pha vượt quá (lớn hơn hay bé hơn) trị số pha định trước

rơle sẽ tác động Các đại lượng tương tự qua các bộ biến đổi thành các xung

chữ nhật với thời gian trùng pha là t, Kiểu so sánh này gọi là so sánh thời gian trùng hợp pha

Nếu như thời gian trùng hợp pha t, lớn hơn thời gian đặt của bộ phận thời gian thì sẽ xuất hiện tín hiệu đầu ra

17.1.2 Quá dòng điện

Quá dòng điện là hiện tượng khi dòng điện chạy qua phần tử của hệ thống điện vượt quá trị số đồng điện tải lâu dài cho phép Quá dòng điện có

thể xảy ra khi ngắn mạch hoặc quá tải

Trong một số trường hợp rất khó phân biệt giữa quá tải và ngắn mạch,

khi ấy cần có biện pháp kết hợp với rơle quá đòng để xác định loại ngắn mạch,

chẳng hạn thông qua các thành phần đối xứng của dòng và áp Trong lưới điện hở có một nguồn cung cấp, đệ chọn lọc của bảo vệ quá dòng điện có thể đâm bảo bằng nguyên tắc chọn lọc thời gian tăng đần từng cấp (gọi là cấp chọn lọc

về thời gian), càng về phía gần nguồn thời gian làm việc của bảo vệ càng lớn

Độ chọn lọc của bảo vệ quá dòng điện cũng có thể được đảm bảo bằng cách chọn dòng điện khởi động của bảo vệ lớn hơn trị số dòng điện ngắn mạch lớn

Trang 8

I kd = Ka Ing max

Trong đó

lš„z„„„: đồng điện ngắn mạch ngoài lớn nhất thường được tính theo ngắn mạch ba pha trực tiếp trên thanh cái ở cuối phần tử được bảo vệ với chế độ làm việc cực đại của hệ thống

K,,: Hé s6 an toàn, thường lấy bằng 1,2 + 1,3

Bảo vệ quá dòng điện khởi động chọn theo công thức trên có tên gọi là bảo vệ cắt nhanh, thường làm việc tức thời hoặc với một độ trễ rất bé (0.1s) để để phòng khả năng bảo vệ có thể làm việc mất chọn lọc khi có giông sết và thiết bị chống sét tác động

Bảo vệ qúa dòng cắt nhanh có nhược điểm là khơng bảo vệ được tồn

bộ đối tượng khi ngắn mạch ở cuối phần tử, bảo vệ cất nhanh không tác động Hơn nữa vùng bảo vệ có thể thay đổi nhiều khi chế độ làm việc của hệ thống và dạng ngắn mạch thay đối

Nhược điểm chung của nguyên lý quá dòng điện là không đảm bảo được tính chọn lọc của bảo vệ trong các lưới điện phức tạp, có nhiều nguồn dây cung cấp

Khi áp dụng nguyên lý so lệch dòng điện để bảo vệ các máy biến áp

và biến áp tự ngẫu, cần lưu ý đến khả năng bảo vệ so lệch có thể làm việc sai khi đóng máy biến áp không tải

11.1.3 Quá điện áp và thiếu điện áp

Trong chế độ làm việc bình thường, điện áp có thể dao động trong một giới hạn cho phép U=U„#+AU,, Trong đó : Ug, : dién áp dao động „: điện áp cho phép

Trang 9

cho phép (cao hơn hoặc thấp hơn) chứng tỏ chế độ làm việc không bình thường hoặc có sự cố trong lưới điện Quá điện áp kéo dài thường do trục trặc hoặc hư hỏng ở các thiết bị điều chỉnh điện áp ở máy phát điện, hoặc trong

mạng truyền tải và phân phối hoặc đo sa thải phụ tải gây nên Quá điện áp khí quyển hoặc quá điện áp nội bộ do quá trình thao tác gây nên được bảo vệ bằng

các van chống quá áp, không thuộc lĩnh vực bảo vệ của thiết bị role

Thiếu điện áp thường do ngắn mạch trong hệ thống gây nên

Trong các hệ thống bảo vệ, thông số về điện áp thường được sử dụng kết hợp với các thông số khác, chẳng hạn quá điện áp thường kết hợp với quá

tần số để bảo vệ các máy phát điện, thiếu điện áp thường kết hợp với quá đòng điện để phân biệt chế độ quá tải với ngắn mạch

ILI 4 Tần số

Độ lệch tần số khỏi trị số danh định chứng tỏ trong hệ thống điện bị mất cân bằng công suất tác dụng giữa nguồn phát với phụ tải Tần số quá thấp chứng tỏ trong hệ thống thiếu công suất tác dụng, ngược lại tần số quá cao chứng tỏ thừa công suất tác dụng

Độ sai lệch tần số có thứ nguyên mHz/ MW đặc trưng cho sự ổn định

và “sức mạnh” của hệ thống chống lại những biến đổi công suất tác dụng trong hệ thống Đại lượng này càng bé chứng tỏ hệ thống càng khoẻ Vì vậy hệ thống càng lớn bao nhiêu thì thiết bị đo tần số càng phải chính xác bấy

nhiêu

Khi tần số bị giảm thấp, như trên đã nói, chứng tỏ công suất của nguồn

điện không đáp ứng nhu cầu của phụ tải Để đưa tần số trở lại bình thường phải sa thải dần từng bước phụ tải cho đến khi lập lại được cân bằng giữa cung và cầu công suất tác dụng Khi mất cân bằng càng lớn, tốc độ biến đổi của tần

Trang 10

II.1.5 Các nguyên lý khác để phát hiện sự cố

Ngoài những nguyên lý đã trình bày trên đây, người ta còn dùng nhiều

nguyên lý khác để phát hiện tình trạng làm việc không bình thường và chế độ

sự cố ở từng phần tử trong hệ thống điện

Những nguyên lý thường gặp bao gồm:

*Mức tăng nhiệt độ: thường được sử dụng để đánh giá tình trạng quá tải của thiết bị Chẳng hạn nhiệt độ dầu biến áp, nhiệt độ ở những phần cần kiểm tra của cuộn dây máy phát điện, động cơ điện lớn

Nhiệt độ có thể đo được trực tiếp ở từng điểm kiểm tra hoặc được hiển

thị dưới dạng trường nhiệt độ, hình ảnh nhiệt trên màn hình các thiết bị quan

sat

*Tốc độ dịch chuyển của dầu, khí bốc ra hoặc lượng khí tích tụ được: Nguyên lý này được sử dụng để chế tạo các rơle khí dùng cho các bảo vệ máy

biến áp ngâm dầu Khi có hư hỏng bên trong thùng dầu máy biến áp, đầu sẽ bị

bốc hơi, tuỳ theo mức độ khí tạo ra và tốc độ dịch chuyển của dầu, khí, rơle

khí sẽ cảnh báo hoặc gửi tín hiệu cắt

*Hài bậc cao xuất hiện trong dòng điện trung tính hoặc (và) trong điện

áp trung tính ở lưới điện nối đất qua các cuộn Petersen Đối với các máy phát điện, để phát hiện những hư hỏng trong cuộn dây máy phát, người ta cũng dùng nguyên lý đo lường thành phần hài bậc cao trong dòng điện sự cố của máy phát

*Tri số quá độ trong tín hiệu dòng và áp, sóng chạy, tín hiệu phản hồi cũng có thể được sử dụng để phát hiện sự cố trên đường đây tải điện

IL2 Các khái niệm cơ bản của điều khiển

Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống được xây dựng từ ba bộ phận

chủ yếu:

Trang 11

- Thiết bị đo lường M (Measuring Device)

Đó là một hệ thống có phản hồi (feedback) hay có liên hệ ngược Sơ đồ khối như hình vẽ Hình II] Sơ đô điều khiển hệ thống có phản hồi Các tín hiệu tác động trong hệ thống

u: Tín hiệu vào (input)

y: Tin hiéu ra (output)

x: Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng O e: Sai lệch điều khiển

z: Tín hiệu phản hồi (ký hiệu - khi z ngược đấu với tín hiệu u)

Các nguyên tắc điều khiến cơ bản

Bất kỳ hệ thống ĐKTĐ cũng bị tác động của nhiễu và gây ra sai số

Hiện nay có 3 nguyên tác điều khiển cơ bản: - Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch

- Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiễu

- Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp theo sai lệch và bù nhiễu K f M

Trang 12

Nhiễu f(Ð tác động lên đối tượng điều khiển ví dụ theo chiều hướng làm

tăng tín hiệu ra y(t) Trong hệ có đưa vào một thiết bị bù K có tác dụng ngược

giấu với ï Nghĩa là v tác dụng bù về phía trước TBĐK C để tín hiệu E giảm bớt Nếu f tác dụng lên TBĐK O để làm giảm tín hiệu ra y thì thiết bị bù K lại tạo ra tín hiệu bù v làm tăng E nhằm cuối cùng làm tăng y

Hệ thống điều khiển theo nguyên tắc hỗn hợp hỗn hợp được dùng rộng

rãi trong thực tế Ngoài các nguyên tắc điều khiển cơ bản đã nói ở trên người

ta còn nêu ra các nguyên tắc khác như:

- Nguyên tắc điều khiển theo chương trình - Nguyên tắc điều khiển thích nghĩ

Gần đây do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi xử lý và máy tính

người ta đã tổng hợp ra các hệ thống điều khiển rất phức tạp trong đó thiết bị

điều khiến (Controller) chính là một máy vi tính có thêm các thiết bị ghép nối tương tự - số, số - tương tự Các thuật toán điều khiển được tính toán theo các bài toán tối ưu và thích nghi được viết bằng ngôn ngữ máy hoặc ngôn ngữ C

để điều khiển đối tượng bên ngoài

Phân loại các hệ thống điều khiển tự động

Việc phân loại hệ thống ĐKTĐ có thể thực hiện theo nhiều phương

pháp khác nhau ở đây ta nghiên cứu các loại hệ thống ĐKTĐ điển hình và

hiện có sau:

1 Hệ thống ĐKTĐ tuyến tính

2 Hệ thống phi tuyến tính

3 Hệ thống liên tục: Các tín hiệu tác động trong hệ thống là các hàm

liên tục theo thời gian

4 Hệ thống rời rạc hay hệ thống xung số (Hệ thống gián đoạn): Trong đó chỉ cần có một tín hiệu là một hàm rời rạc theo thời gian

5 Hệ thống tiền định: Là hệ thống trong đó tất cả các tín hiệu truyền

đạt là các hàm theo thời gian xác định (Không có tín hiệu ngẫu nhiên)

6 Hệ thống ngẫu nhiên: Là hệ thống trong đó chỉ cần có 1 tín hiệu là

một hàm ngẫu nhiên

Trang 13

7 Hệ thống tối ưu: Là 1 hệ thống điều khiển phức tạp, trong đó thiết bi điều khiển có chức năng tổng hợp được | tín hiệu điều khiển u(t) tác động lên

đối tượng nhằm chuyển trạng thái ĐKTĐ từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối với với khoảng thời gian ngắn nhất (bài toán tối ưu tác động nhanh) hoặc

làm cho hệ thống đạt được độ chính xác điều khiến cao nhất

8 Hệ thống thích nghi (hay còn gọi là hệ thống tự chỉnh) là hệ thống có khả năng thích ứng một cách tự động những biến đổi của điều kiện môi trường

và đặc tính của đối tượng điều khiển bằng cách thay đổi tham số và cấu trúc sơ đồ của thiết bị điều khiển

Hiện nay hệ thống thích nghi thường sử dụng các thiết bị tính kỹ thuật số Các hệ thích nghi phổ biến ứng dụng trong công nghiệp là hệ thống có ghép nối với các vi xử lý và máy tính

Việc phân loại các hệ thống ĐKTĐ trên đây cũng chỉ là một cách Tuy nhiên giữa các loại hệ thống này lại có liên quan mật thiết với nhau Ví dụ nếu ta chia hệ thống ĐKTĐ thành 2 loại: Hệ ngẫu nhiên và hệ không ngẫu nhiên (hệ tiền định); thì trong một lớp hệ ngẫu nhiên lại có thể phân thành hệ tuyến tính hoặc phi tuyến, tiếp đến ngay chỉ trong hệ tuyến tính lại có thể có hệ liên

tuc, rdi rac vv

Do vay có thể nói việc phân loại hệ thống ĐKTĐ tuỳ thuộc vào mục

đích phân loại

Trang 14

HI CÔNG NGHỆ ĐL- ĐK - TĐH TRONG CÁC TTĐ CŨ

Tại các trạm thuỷ điện cũ, công nghệ đo lường còn sơ sài và tuân thủ

các nguyên tắc cơ bản

Để đo các thông số điện dùng các thiết bị biến đổi dòng, áp (BI, BU) tương ứng và tín hiệu dòng từ BI, BU sẽ được đưa trực tiếp vào các đồng hồ

Trang 15

Hình III2 Hiển thị giá trị äo bằng kim tại các trạm thảy điện cũ

Tuỳ theo công suất của trạm mà ta chọn loại BỊ, BU khác nhau (50/5,

600/5 ) Để đo dòng của ba pha phải dùng 3 BI khác nhau, lấy riêng tín hiệu của từng pha Cần 3 đồng hồ để chỉ thị giá trị của từng pha Các BÏ này cũng cung cấp giá trị cho đồng hồ kWh, cung cấp cho thiết bị bảo vệ 51 Để đo điện áp của các pha, hạ điện áp qua biến áp 3 pha, dùng 1 đồng hồ chỉ thị đấu qua

chuyển mạch, với các vị trí khác nhau của chuyển mạch ta có thể biết được

điện áp dây và điện áp pha của các pha khác nhau

Với cách đo kiểu cũ này giá trị hiển thị thường có độ chính xác không cao, hay bị giao động Không có giao tiếp giữa thiết bị hiển thị với máy tính, cần có hai đường tín hiệu 1 cho đo lường và 1 cho điều khiển tự động hoá

Khi cần chuyển giá trị hiển thị phải dùng chuyển mạch cơ, chuyển tới

giá trị cần đo, độ bền của các thiết bị đo không cao, sai số lớn

Tại phòng điều khiển có rất nhiều nút bấm với nhiều tác dụng, do đó cần nhiều nhân công để trực vận hành và theo dõi hoạt động của trạm Việc đo lường điều khiển và giám sát từ xa hầu như không có Đóng mở các thiết bị cơ

khí thuỷ công có thể vẫn được thực hiện tại phòng điều khiển trung tâm, tuy

nhiên hệ thống dây tín hiệu rất đài, nhiều loại khác nhau nên độ an tồn vận hành khơng cao Hệ thống cứu hoả hầu như không được tự động hoá, báo cháy, báo quá nhiệt vẫn phải theo dõi thủ công

Trang 16

Hình HII 3 Phòng điêu khiển trung tâm của trạm thủy điện kiểu cũ

Để đo các thông số như nhiệt độ, áp lực nước thường dùng can nhiệt và

đồng hồ áp suất có hiển thị bằng kim lắp ngay tại vị trí cần đo, không có

đường dẫn tín hiệu về phòng điều khiển Trung tâm

Cơ cấu điều khiển tự động hoá chủ yếu dùng rơ le điện từ, có độ chính xác và độ bền không cao, thời gian đáp ứng chậm, không thể thay đổi chương trình làm việc nên độ linh động không có Không thể lắp lẫn cho các trạm

thiết kế khác được

Để thao tác, người sử dụng phải dùng tay tác động vào các nút bấm

hoặc các chuyển mạch Việc sử dụng nút bấm và chuyển mạch cơ học thường

có độ bền và chính xác không cao, hay bị chập chờn và độ nhạy kém, thời gian đáp ứng chậm

Việc hoà điện lên lưới thường thực hiện bằng tay, dựa vào thứ tự sáng của các đèn hoặc dùng các bộ hoà rơ le điện từ đơn giản

Hệ thống nước kỹ thuật đa số lấy trực tiếp từ đường ống phía thượng lưu, qua van giảm áp, van điều chỉnh rồi đi vào các ổ trục, không có thiết bị theo đõi và điều chỉnh tự động lưu lượng nước làm mát nên gây lãng phí nước, giảm công suất phát điện

Trang 17

Hình IHII.4 Hệ thống nước kỹ thuật lấy trực tiếp từ ống vào tua bị

Hệ thống kích từ dùng điện trở dây quấn để điều chỉnh, khi cần thay đổi công suất phát và hệ số đòng điện coso rất khó khăn và khó điều chỉnh dược theo đúng yêu cầu của điều độ Người vận hành phải dùng tay để điều chỉnh biến trở nên chất lượng điện và hiệu suất của trạm phụ thuộc rất nhiều vào

kinh nghiệm và năng lực của người điều khiển

Với các trạm thuỷ điện, việc ổn định tần số điện phát lên lưới là 1

nhiệm vụ quan trọng của hệ thống điều khiển tự động hoá Để ổn định tần số

và công suất phát lên lưới của trạm, thường dùng thiết bị (điều tốc) Với các

trạm cũ điều tốc thường là loại cơ khí thuỷ lực, dựa vào lực li tam để điểu

chỉnh tốc độ quay của tua bin, nhờ đó ổn định được tần số phát điện lên lưới

Trang 19

Hình III.7 Điều tốc điện thuỷ lực lắp tại các trạm điện cũ

Hình III Hiển thị các thông số làm việc điều tốc

Hệ thống bảo vệ các thiết bị trong trạm như: Bảo vệ tua bin, bảo vệ máy phát, bảo vệ trạm biến áp, bảo vệ đường dây còn sơ sài hoặc không có:

Với tua bin, do phải theo đối mức nước thượng hạ lưu thủ công nên hết sức thất thường và không chính xác nên có nhiều trường hợp tua bin phải làm

Trang 20

việc ở trường hợp bất lợi khiến bánh công tác bị xâm thực gây hỏng nặng cho

tua bin Khi bị xâm thực tua bin làm việc rung, có tiếng ồn lớn, nếu không xử lý kịp thời sẽ nguy hiểm tới an toàn của nhà trạm Do không có cảnh báo khi nhiệt độ ổ trục lên cao và dầu bôi trơn thiếu, bẩn nên có trường hợp gây cháy

bạc, hỏng ổ trục

Bảo vệ máy phát, trạm biến áp, đường dây còn sơ sài, dùng rơ le điện từ nên độ nhậy và độ chính xác kém, có trường hợp máy phát chập cháy mà hệ thống bảo vệ chưa tác động, khi bị thiên tai hoặc sự cố sẽ gây hư hỏng nặng thiết bị phải thay thế rất tốn kém

Các trạm thuỷ điện áp dụng công nghệ đo lường điều khiển tự động hoá

kiểu cũ này hầu hết đã hư hỏng hoặc còn vận hành với công suất và hiệu suất thấp hơn nhiều so với công suất thiết kế Nhiều trạm đã và đang được thay thế

toàn bộ thiết bị với công nghệ mới để tiết kiệm nguồn nước, nhân lực, nâng

cao công suất phát của trạm

IV CÔNG NGHE DL - DK - TDH AP DUNG TAI CAC TTD MOI

Với sự phát triển rất nhanh của cơng nghệ tự động hố cho phép trạm

thuỷ điện nối PLC (Programmable Logic Controller), DCS (Distributed

Control System PLC + PC = DCS), NCS (Process Control System), cac dung

cu IO (in, out) tai thiét bi (field device) va cc PC của nó với nhau Thậm chí

nối hệ thống điều khiển của nhiều nhà máy với nhau Lợi ích có thể được thấy

rõ: Điều khiển tập trung, đưa các hệ thống quan trọng của nhà máy vào data base để báo cáo cho lãnh đạo phân tích quản lý, nâng cao hiệu suất vận hành trạm Các thiết bị và hệ thống có thể được nối mạng và thông tin với nhau là nhờ các chuẩn (standard) và các nghi thức (protocol) Các nghi thức nối mạng theo kỹ thuật số như Foundation Eieldbus và Profibus vẫn còn tiếp tục phát

triển

Với các trạm có nhiều thiết bị kết nối với máy tính, đòi hỏi đường truyền rộng, người ta sử dụng nghi thức Foundation Fieldbus Sự nối mạng của Foundation Fieldbus có hai lớp Lớp HI nối mạng các field devices với

Trang 21

nhau, nối các nhóm field devices với DCS hay PLC, hay các ĐCS, PLC với nhau HI dùng 2 sợi dây, H2 dùng chuẩn HPE (High Speed Ethernet) Py boi | AI CAU | DI I i | i oie | tT HIGH SPEED ETHERNET (FFH2) | | 0 FC v | LINKING DEVICE ar ff/H I oa (3 Hình IV.1 Nghi thitc noi mang Foundation Fieldbus

RS232 là tiêu chuẩn nối mạng serial thường dùng nhất Mỗi PC có cổng

serial đùng chuẩn RS-232 Vì chuẩn RS 232 là chuẩn không cân bằng, chiều

dài giữa hai thiết bị dùng chuẩn này bị hạn chế tối đa 15 mét RS485 cũng là

chuẩn serial nhưng cân bằng Nhờ thế tốc độ thông tin cao hơn RS323 và có

khoảng cách tối đa là 1200m, 32 thiết bị có thể thông tin với nhau dùng 1 đôi đây dưới hình thức multidrop này với nhau

Trong các TTD có nhiều hệ thống khác nhau, phục vụ cho 01 tổ máy là 01 hệ thống đo lường, điều khiển, bảo vệ đi kèm Toàn bộ các thiết bị này được lắp vào trong một hệ thống tủ gồm các tủ sau:

Trang 22

Tuỳ theo kết cấu tua bin, quy mô nhà mấy mà các tủ này có thể thay đổi và làm các chức năng khác nhau Để liên kết giữa tủ điều khiển tổ máy với các

hệ thống khác trong trạm, cần có đường truyền thông tốc độ cao, băng thông rộng phục vụ việc giao tiếp giữa PC với các LCU MAY IN ! BUSES INTERNAL COMMUNICATION NETWORK 1 1 ị | ce | CỔNG GIÁO TIẾP XA poo GATE WAY —T ñũũg0 ooG goa ee

fie BV TO MAY 1 ĐK ,ÊV TÔ MÃY 2 TRUNG TAM D.DỘ

CONTROL, PROTECTIVE UNIT NOt CONTROL, PROTECTIVE UNIT No? MODERATION CENTRAL

Hình IV 2 Sơ đồ kết nối các hệ thống trong trạm thuỷ điện

Với cách kết nối này, toàn bộ dữ liệu hoạt động của trạm có thể được

truyền về mạng điều độ Quốc gia, các nhà quản lý sẽ sử dụng đữ liệu này để

vận hành trạm với hiệu suất cao nhất

Trong các tủ LCU toàn bộ các module đo lường, điều khiển tự động hoá được nối với nhau thông qua mạng truyền RS485, được kết nối với máy tính Trên máy tính ta có thể giám sát và điều khiển toàn bộ hoạt động của nhà

máy

Tủ đo lường không có nghĩa là chỉ thể hiện và chứa toàn bộ thiết bị đo không nữa Nhờ thiết bị nhỏ gọn ta có thể có 1 tủ với nhiều chức năng khác

nhau: thể hiện các thông số, bảo vệ máy phát, điều khiển kích từ

Trang 23

I Industrial 1 PC Industrial 1 PC 1RS485 4RS485 2RS485 3RS485 ‘

Protection pic Power measuring Temperature

Device Meter Logging

Hinh IV 3 So dé két néi cdc thiét bi trong ta (LCU)

Với sự phát triển rất nhanh của công nghệ kỹ thuật số, các module được chế tạo rất hoàn chỉnh và nhiều chức năng, các module đều có chức năng

truyền thông

Phòng điều khiển trung tâm nhờ đó rất gọn gàng và sạch sẽ, người vận hành giao diện trực tiếp với máy tính, các thao tác rất nhẹ nhành, chính xác

Hình IV.4 Phòng điều khiển trung tâm trong trạm thuỷ điện mới

Trang 24

TY.1 Công nghệ đo lường

IV.1 1 Module đo lường, hiển thị PM130

Hãng Satec (Thuy Sĩ) đưa ra module PM130 với chức năng hiển thị tất các các thông số điện, và có truyền thông

Hinh IV.5 Module PM130 cua Satec (Thuy Si)

Day là một thiết bị đặc biệt, có khả năng đo tại chỗ tất cả các thông số

Trang 25

Chức năng: đo dòng, áp ba pha, tần số, hệ số công suất, công suất tác

dụng, công suất phản kháng, công suất toàn phần cho phép hiển thị tại chỗ các thông số khác nhau bằng màn hình hiển thị LED ngay trên thiết bị Đặc

biệt là khả năng truyền thông qua chuẩn RS485 kết nối với máy tính thông

qua bộ chuyển đổi RS 485/232 Người dùng có thể lựa chọn một trong ba giao

thức truyền thông khác nhau: Modbus; ASCI, DNP Có thể đặt chế độ ngay trên bản thân thiết bị bằng việc kết hợp các nút ấn và các thanh cuộn, hoặc có thể đặt chế độ trên máy tính sau đó tải vào thiết bị qua truyền thông Thiết bị còn hỗ trợ phần mềm được cài đặt trên máy tính Cấu trúc thiết bị nhỏ gọn, dễ sử dụng Cầu đấu đo U Cấp nguồn Rơ le tác động Hình IV.7 Bố trí cầu đấu của PM130

Tại chính module PM130 cũng có các biến dòng phục vụ đo lường, cách nối điện qua các biến dòng như sau:

Trang 26

CT WIRING IMPORTANT - CT POLARITY MUST BE OBSERVED LINE 1 (A) £66 fe LINE 2 (B) ~ † LINE 3 (C} i PM130 CT WIRE TRANSFORMERS TERMINALS LUG FOR CABLE căng HA

Hình IV 8: So dé đấu nổi qua biến dòng tại PM130

Trang 27

LIE HAIO—~ XYN "- Ti Lo Noe Lenssen

Hình IWV.10: Sơ đô đấu dùng 3 biến dòng (CTs) kiểu đấu 4LL3

POWERMETERS IBM PC Compatitte RS-485 of RG-23Z/RS-485 Converter #1 RxÐ- TxÐ- Sỉ LD shieta RA, RZ = 200-500 Onm, 0.5W

Hinh IV.11: So dé ddu noi céc module PM130 voi duong RS485

Với kiểu kết nối này, ta có thể nối được 32 module PM130 với nhau và với máy tính qua bộ chuyển đối RS485 - 323 Ngoài hãng Satec của Thuy Sĩ

Trang 28

còn có hãng PILOT của Trung Quốc đua ra module PMAC 9900E với giá rẻ hơn nhiều và cũng có các chức năng đo lường nhu sau:

IV.1.2 Module ảo lường, hiển thị PMAC9900E

Display Module

Hình IV.12: Module ảo lường, hiển thị PMAC9900E

Cũng như PM130, module này có thể hiển thị đồng, áp ba pha, tần số, hệ số công suất, công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất toàn

phần cho phép hiển thị tại chỗ các thông số khác nhau bằng màn hình hiển thị LED ngay trên thiết bị Đặc biệt là khả năng truyền thông qua chuẩn RS485 kết nối với máy tính thông qua bộ chuyển đổi RS 485/232 Có cùng

các chức năng nhưng giá thành của PMAC9900E thấp hơn rất nhiều so với

Trang 29

LÍ L2 LãH Li Le 13 LÔ Hình IV.13 Đấu nối PMAC9900E vào mạng RS2352€ + RS2320- RS485

Hình IV.14 Đấu nối PMAC9900E với nhau và với máy tính

Ngoài các thiết bị đo điện hiển thị trực tiếp bằng số trên màn hình, được

đặt trực tiếp trên các tủ LCU, nối với máy tính tại phòng điều khiển qua đường truyền thông, các thiết bị đo khác như: đo nhiệt độ ổ trục các tổ máy, nhiệt độ

Trang 30

đầu, áp suất nước làm mát, cột nước thượng hạ lưu vv đều được đặt trong các tủ LCU và cũng được kết nối truyền thông với nhau:

IV.1.2 Module đo lường, biển thị nhiệt độ

Hình IV.15: Module ảo lường, hiển thị nhiệt độ swp-D§0

Các thông số kỹ thuật chính:

Có thể kết nối với cùng lúc 16 cảm biến nhiệt, dựa vào các phím bấm

mà hiển hiển thị thị giá trị đo trên màn hình bằng đèn LED

Đầu vào tín hiệu:

Tín hiệu được lấy vào từ các cảm biến nhiệt độ (PT 100, CU100, CU50) đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật sau:

Điện áp: 0+ 5V; dòng: O+ 20mA

Giới han do: -1999 — 9999 ky tu

Độ chính xác do dac: 0,2 % FS + 1 ky tu hoac 0.5% % FS + 1 ky tu

Dau ra tin hiéu: Dau ra Analog

DC 0— 10mA (điện trở tải < 750ohm)

DC 4- 10mA (điện trở tải < 500ohm) DC0-— 5V (điện trở đầu ra < 25ohm)

DC 1 - 5V (điện trở đầu ra < 750ohm)

Trang 31

Đầu ra truyền thông: Chế độ giao diện — Giao điện truyền thông chuẩn

nối tiếp 2 chiều : RS— 485, RS 232C, RS -422

Truyền thông online: Giao điện truyền thông là các hệ thông 2 dây, 3 day, 4 day (RS — 485, RS 232C, RS-422 ) và cũng có thể là các loại đặc biết

tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng Tốc độ baund được đặt tuỳ ý trong dai 300 — 9600b/s bằng các thông số bên trong của các đồng hồ đo

Chế độ bảo vệ: Cảnh báo hỏng mạch đầu vào (đầu ra rơle, được hiển thị bằng) đèn led

Bộ khuếch đại một chiều có độ chính xác cao, độ dịch tuyến tính khuếch đại thấp, độ lệch điểm 0 của bộ khuyếch đại được tối thiểu hoá tối đa

nhờ chức năng tự động kiểm tra của multi — way switch dưới sự điều khiển

của máy tính Bộ khuyếch đại có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu lối vào tới một

Trang 32

Công nghệ do lường trong các trạm thuỷ điện ngày càng hiện đại, độ chính xác cao Toàn bộ các tín hiệu cần đo được các cảm biến chuyển thành tín hiệu dòng (0 + 20mA) hoặc áp (0 + 5V), rồi đưa về các bộ hiển thị và thu thập Tại các bộ này có truyền thông và kết nối với máy tính Dựa vào các giá

trị đã đặt tại bộ hiển thị hoặc tại các phần mềm điều khiển, máy tính hoặc

người vận hành sẽ đưa ra các lênh điều khiển khác nhau đảm bảo cho sự vận hành an toàn của nhà máy

1V.2 Công nghệ điều khiển tự động hoá

Nhờ sự phát triển rất nhanh của công nghệ, việc điều khiến và tự động

hóa là 1 phần khó có thể tách rời Trong giai đoạn trước các tiếp điểm chủ yếu là cơ học, bị mòn dần theo thời gian Ngày nay, việc áp dụng công nghệ số với

việc đóng ngất bằng bán dẫn, bằng phần mềm cho kết quả đáp ứng nhanh, chính xác, độ bền cao Hệ thống điều khiển được chế tạo thành các module

khác nhau, tuỳ theo yêu cầu khác nhau ta chỉ việc thay đổi các thông số của phần mềm rồi nạp vào và sẽ được các các hệ thống theo yêu cầu

Trong một hệ thống điều khiến, các thiết bị điều khiển có một vai trồ

rất quan trọng, là "phần cứng" và là nền tảng để thực hoá các thuật toán, các chương trình điều khiển Trong rất nhiều các loại thiết bị điều khiển khác nhau, từ những chiếc rơ le đơn giản đến những bộ vi điều khiển hay những

máy tính công nghiệp hiện đại, các bộ điều khiển logic khả trình (PLC -

Programmable Logic Controller) được sử dụng rất phổ biến, đặc biệt là trong công nghiệp Kể từ khi xuất hiện vào thập niên 70 của thế kỷ trước như 1 thiết

bị có khả năng lạp trình mềm dẻo thay thế cho các mạch logic cứng, các PUC

đã phát triển rất nhanh chóng cả vẻ phần cứng và phần mềm Về phần cứng, các bộ vi xử lý mạnh và bộ nhớ lớn đã thay thế cho các bộ xử lý đơn giản và

bộ nhớ khoảng 1KB Các cổng vào ra không những chỉ tăng về số lượng mà còn có thể được phân tán Các cổng tương tự cũng cũng được thêm vào giúp cho PLC giờ đây không chỉ thích hợp cho điều khiển logic mà còn có thể được

sử dụng rất hiệu quả trong điều khiển các quá trình liên tục

Trang 33

Cơ nhiều công nghệ điểu khiển khác nhau, có hãng dùng vi xử lý

(Power base), có hãng lại ding PLC, sau đây xin giới thiệu 2 công nghệ cơ bản này

Hình IWV.18: Điêu khiển, tự động hoá dùng PLC MITSUBISHI FX2N

PLC này được dùng để điều khiển toàn bộ hoạt động của tua bin, hệ

thống nước làm mát, đóng ngất kích từ và điều khiển máy cắt PLC này kết nối trực tiếp với máy tính qua cổng RS 232, nhờ phần mềm lập trình cho PUC riêng, theo yêu cầu của từng trạm, dùng phần mềm này lập trình ra các thông

số điều khiển, sau đó nạp vào PLC

Module FX2N được nổi trực tiếp với màn hình điều khiển (F940 GƠT)

lắp ở mặt trước tủ, ta có thể điều khiển trực tiếp bằng cách bấm vào các vị trí

trên màn hình này Trên màn hình này cũng hiển thị toàn bộ trạng thái làm việc của hệ thống

Sơ đồ đấu như hình IV.18 + IV.20:

Trang 37

Hình IV.19: Màn hình điều khiển (touch screen) F940 GÓT Nguyên lý làm việc của hệ thống như sau:

Đầu vào PLC gồm rất nhiều tín hiệu như: Nước làm mát, đóng mở van, máy cắt, tốc độ tua bin, nhiệt độ, áp suất, kích từ .vv Khi khởi động hệ thống, PLC kiểm tra tất cả các thông số đầu vào (or, and) từ các chân DI (Digital in put), AI (Analog in put), khi tat ca céc théng số đảm bảo an toàn

như khi đã lập trình, đèn an toàn bật sáng, lúc này mới khởi động tổ máy được Trên màn hiển thị sẽ thể hiện trình tự khởi động tổ máy, đến bước nào

thì trạng thái hiển thị sẽ bật sáng, khi khởi động bị lỗi, sẽ báo lỗi trên màn

hiển thị

Tại màn hiển thị, khi đã vào đúng password, sẽ được phép điều khiển toàn bộ hoạt động của tổ máy Tại màn hình này ta cũng có thể đặt các thông

số vận hành của trạm, tuy nhiên chức năng này thường ít sử dụng Chương trình đã được viết và chạy thử nghiệm trên máy tính, chỉ cần nap vao PLC, chạy thử, kiểm tra, hiệu chỉnh khi nào đạt yêu cầu thì thôi, không phải sửa

chữa phần mềm nữa

Sử dụng công nghệ điều khiển dùng PLC khiến hệ thống rất nhỏ gọn, chức năng linh hoạt, có thể thích ứng với nhiều loại trạm khác nhau, số lần

đóng mở, tuổi thọ của PLC rất lớn, điện năng tiêu thụ ít, số đầu vào ra nhiều có thể kiêm nhiều chức năng điều khiển khác nhau

Trang 38

Để điều khiển và tự động hóa các chức năng về điện như bảo vệ máy

phát, bảo vệ đường dây, trạm biến áp, hòa điện lên lưới, nhiều hãng khác nhau đã đưa ra các module rất nhỏ gọn nhưng vẫn đầy đủ các chức năng, và có khả năng truyền thông với hệ thống, Viện nghiên cứu tự động hóa Nam Kinh -

Trung Quốc đưa ra 2 module là MGT 102 và MT 122 với các chức nãng sau:

Hình IV.20 Module bảo vệ máy phát, biến áp MGT 122

Sơ đồ nguyên lý điều khiển của module MGT 122 được chỉ ra trong

hình IV.21