Dần dần các phần mềm chuyên dụng phục vụ quản lý,điều hành hệ thống điện được ra đời.Vào đầu những năm 1980,, hầu hết các trung tâm điều khiển của các hệ thốngđiện lớn trên thế giới đã đ
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ SCADA
Tổng quan chung về SCADA
Hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một công cụ quan trọng cho việc thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển quy trình từ xa Nhờ vào máy tính và mạng truyền thông, người quản lý có thể theo dõi và điều khiển hoạt động của thiết bị từ xa một cách hiệu quả Tóm lại, SCADA bao gồm tất cả các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ giám sát và điều khiển quy trình công nghiệp.
Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được.
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. b Chức năng và vai trò: c.
Mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp được tổ chức theo nhiều cấp quản lý, với mỗi cấp có nhiệm vụ riêng trong việc đo lường, thu thập và giám sát các đối tượng cụ thể Do đó, hệ thống SCADA cũng được phân chia thành các cấp khác nhau, tùy thuộc vào quy mô và yêu cầu cụ thể của từng cấp Tuy nhiên, mỗi cấp SCADA cần thực hiện những dịch vụ cơ bản để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Thu thập dữ liệu từ xa qua đường truyền số liệu về sản xuất và tổ chức lưu trữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu, bao gồm thông tin về lịch sử sản xuất, sự kiện thao tác và báo động Đồng thời, điều khiển và giám sát hệ thống sản xuất dựa trên các dữ liệu đã thu thập được.
Thực hiện công tác truyền thông số liệu trong và ra ngoài hệ (đọc/viết số liệu
PLC/RTU, trả lời các bản tin yêu cầu từ cấp trên về số liệu, về thao tác hệ).
SCADA là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm, cho phép tự động hoá quản lý, giám sát và điều khiển trong các ngành công nghiệp Xu hướng tự động hoá ngày càng trở nên cần thiết, và việc áp dụng SCADA là cách để không bị tụt hậu trong sản xuất SCADA cung cấp thông tin chính xác về hệ thống, giúp đưa ra quyết định đúng đắn và dễ dàng hơn trong công tác điều khiển Điều này không chỉ giảm chi phí nhân lực mà còn tối ưu hóa vận hành, từ đó hạ giá thành sản phẩm và nâng cao sức cạnh tranh.
Các ứng dụng vào thực tế và so sánh lợi thế với hệ cũ
Các hệ thống SCADA được dùng cho hệ thống điện, hệ thống xe lửa, nhà máy nước sạch, trạm xử lý nước sạch, hàng hải…
Hệ thống SCADA trong ngành điện Việt Nam hiện được phân chia thành ba cấp: cấp quốc gia, cấp Bắc Trung Nam và cấp tỉnh, với khả năng mở rộng lên cấp huyện khi cần thiết Trung tâm điều độ quốc gia chịu trách nhiệm theo dõi và điều khiển các nhà máy phát điện cùng các đường dây/trạm 500kV và 220kV lớn Trong khi đó, ba trung tâm điều độ miền quản lý các đường dây/trạm 220kV và 110kV lớn trong khu vực của họ Các trung tâm điều độ cấp tỉnh tập trung vào việc theo dõi và điều khiển hệ thống phân phối điện trong khu vực tương ứng.
Các hệ thống SCADA sử dụng RTU đang dần được thay thế bởi PLC, đặc biệt trong các hệ thống điều độ điện quốc gia hoặc miền Việc triển khai các hệ thống SCADA dựa trên PLC mang lại nhiều lợi ích vượt trội.
Kinh phí sẽ thấp hơn nhiều
Các hệ điều khiển cũ thường có nhiều tủ, bảng, khoá và nút ấn, gây cồng kềnh và chiếm nhiều diện tích Việc lắp đặt, kiểm định, vận hành, giám sát và bảo dưỡng trở nên khó khăn Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống SCADA kết hợp với PLC sẽ đơn giản hóa đáng kể các công việc này.
Các kỹ sư Việt Nam dễ tiếp cận với công nghệ PLC hơn và do đó khả năngthiết kế, nâng cấp và làm chủ công nghệ dễ dàng hơn.
Mua thiết bị dễ dàng hơn.
Dễ bảo dưỡng và thay thế các thiết bị.
Đặc biệt với hệ SCADA thì việc thu thập, lưu trữ, báo cáo, thống kê, phân tích hệ thống rất dễ dàng.
Các hệ thống SCADA sẽ ngày càng trở nên đơn giản và phổ biến trong tương lai nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị trong lĩnh vực tự động hóa.
Kết cấu của một hệ SCADA
Hệ thống SCADA bao gồm ba thành phần chính: máy tính tại phòng điều khiển trung tâm, các RTU (đơn vị điều khiển từ xa) hoặc PLC (bộ điều khiển lập trình được) tại các trạm xa, và thiết bị thông tin để kết nối hai phần này với nhau.
Kết cấu phần mềm của máy tính cá nhân trong phòng điều khiển trung tâm được mô tả trong Hình 1, cho thấy các chức năng của các PC trong hệ thống.
SCADA hoạt động tương tự như phần HMI trong hệ thống DCS, bao gồm hiển thị, điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm, thu thập và quản lý dữ liệu, cũng như quản lý báo động và báo cáo Các hệ thống SCADA cũ thường hoạt động trên môi trường DOS, VMS hoặc UNIX, trong khi các hệ thống mới hiện nay được phát triển trên nền tảng Windows và Linux.
Hình 1.2 Kiến trúc phần mềm Client/Server của hệ SCADA a SCADA Server
SCADA Server là máy chủ trung tâm của hệ thống SCADA, kết nối với các RTU và PLC Nó có nhiệm vụ thu thập và chia sẻ dữ liệu với các máy Client qua mạng Ethernet, đồng thời gửi lệnh từ Client đến các bộ điều khiển Do đó, máy Server thường được sử dụng để cài đặt phần mềm phát triển và thiết lập cấu hình truyền thông để kết nối với thiết bị hiện trường.
SCADA Client là các máy tính công nghiệp kết nối với máy Server qua mạng Ethernet, được cài đặt phần mềm giao diện người máy (HMI) để hiển thị và điều khiển dữ liệu Các máy Client thu thập trạng thái và điều khiển các bộ điều khiển (controller) gián tiếp thông qua máy Server Mối quan hệ giữa Client và Server được thiết lập bởi các kỹ sư lập trình, tùy thuộc vào phần mềm công nghiệp sử dụng trong hệ thống SCADA.
RTU là thiết bị điều khiển bằng vi xử lý, có khả năng xử lý đầu vào ra theo thời gian thực, thu thập số liệu, báo động và báo cáo về SCADA Server, đồng thời thi hành lệnh từ SCADA Server Truyền thống, RTU thường được sử dụng trong hệ thống SCADA, nhưng hiện nay, với sự phát triển của PLC, các nhà tích hợp hệ thống ngày càng ưa chuộng PLC hơn RTU trong thiết kế cho nhiều hệ thống SCADA.
Các RTU và PLC kết nối với các I/O tại các trạm, cho phép truyền thông tin về trạng thái hệ thống từ hiện trường đến thiết bị SCADA tại phòng điều khiển trung tâm Thiết bị SCADA không chỉ nhận thông tin đầu vào mà còn có khả năng điều khiển hệ thống thông qua thao tác đầu ra qua các RTU và PLC.
Như vậy, RTU và PLC là thiết bị được trực tiếp nối với I/O và trung tâm điều khiển tín hiệu.
Phần cứng và phần mềm của hệ SCADA
Tùy thuộc vào từng nhà sản xuất, các hệ thống SCADA có thể có những đặc điểm khác nhau Tuy nhiên, nhìn chung, phần cứng của hệ thống SCADA bao gồm một số thành phần cơ bản.
Máy tính PC với các dịch vụ truyền thông chuẩn và các chương trình giao diện đồ hoạ được thiết kế sẵn.
Các bộ điều khiển logic có khả năng lập trình PLC (Programmable Logic
Các transmitter/RTU số thông minh.
Card mạng và hệ thống cáp nối đi theo phục vụ cho quá trình thu thập và điều khiển. b Phần mềm
Phần mềm SCADA là chương trình thực hiện nhiệm vụ cụ thể trong hệ thống SCADA, với khả năng thu thập dữ liệu thời gian thực và điều khiển đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Ngoài ra, phần mềm này cần kết nối mạng như Internet hoặc Ethernet để chuyển báo cáo dưới nhiều hình thức, bao gồm bảng thống kê, biểu đồ và đồ thị.
Truyền tin trong hệ SCADA
a Các dạng truyền tin trong hệ SCADA
Trong hệ thống SCADA, bên cạnh các máy tính công nghiệp, server và thiết bị mạng, hệ thống truyền tin đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính ổn định và chính xác Hệ truyền tin được lựa chọn cần đáp ứng các tiêu chuẩn như tốc độ truyền, giao thức truyền thông, và khả năng truyền đồng bộ hoặc dị bộ, cùng với khoảng cách địa lý Để đạt hiệu quả tối ưu, hệ thống truyền tin phải tương thích với thiết bị trường và máy chủ server Một số thiết bị có thể sử dụng để truyền dữ liệu trong SCADA bao gồm Modem RDT (Radio Data Technology) của Anh, thiết bị thu phát sóng của Motorola, các bộ RTU và GPS Việc lựa chọn thiết bị phù hợp sẽ giúp phát huy tối đa tính năng của hệ thống SCADA.
Hệ thống SCADA quốc gia và miền sử dụng các RTU chuyên biệt cho ngành điện, tuân thủ tiêu chuẩn IEEE và IEC, có khả năng chống nhiễu điện từ Các RTU thông minh kết nối với trung tâm điều độ qua giao thức truyền tin IEC-870-5-101, đồng thời nhiều hệ SCADA khác còn áp dụng PLC với giao thức Profibus để đảm bảo hiệu quả truyền thông.
Bảng dưới đây tổng kết lại các dạng truyền tin thường dùng trong hệ SCADA: b Truyền tin số
Truyền tin số là quá trình chuyển giao các bản tin số, được mã hóa dưới dạng bit và byte, từ nguồn phát đến điểm nhận Quá trình này sử dụng các tín hiệu truyền để đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải một cách chính xác và hiệu quả.
Trong truyền thông công nghiệp, việc truyền dữ liệu giữa các ứng dụng thường diễn ra giữa ứng dụng chủ và ứng dụng slave, hoặc giữa ứng dụng khách hàng và ứng dụng server Ngoài ra, còn có sự trao đổi thông tin giữa các ứng dụng chủ với nhau và giữa các master.
Việc truyền tin hiện trường nhàm đảm bảo việc máy chủ thường xuyên thông tin với các PLC hay RTU.
Các thông tin được thống nhất theo kiểu:
-Máy chủ gửi từ một bảng tin từng lệnh đến PLC hay RTU trên bus mutidros.
PLC và RTU thực hiện các lệnh và gửi phản hồi kết quả Các bản tin từ máy chủ chủ yếu là lệnh đọc dữ liệu từ PLC hoặc RTU, cùng với một số lệnh ghi để gán địa chỉ hoặc đơn vị cho các số liệu đó.
Các bản tin tức thời thường gửi thông tin về trạng thái đo của PLC hoặc RTU, đồng thời báo cáo các tình trạng sai sót trong bản tin nhận được.
Những yêu cầu chung về một hệ SCADA
a Những yêu cầu chung về phần cứng:
Máy tính PC được sử dụng để thu thập và điều khiển cần phải có tính phổ thông, đồng thời đảm bảo khả năng giao tiếp hiệu quả với nhiều loại thiết bị phần cứng khác nhau.
Hệ điều hành đa nhiệm cần có khả năng mở rộng và giao tiếp hiệu quả với các phần mềm và phần cứng khác Đồng thời, nó cũng phải đáp ứng những yêu cầu chung về phần mềm để đảm bảo hoạt động mượt mà và hiệu quả.
• Có khả năng tương thích với các giao thức (Protocol) thông dụng.
• Dễ dàng thiết kế và nâng cấp khi cần thiết. c Về dịch vụ SCADA:
• Có khả năng thu thập, lưu trữ, sử dụng số liệu được ít nhất trong một năm.
• Cung cấp sự giao tiếp và giao diện dễ dàng cho người sử dụng và vận hành.
Dể dàng cho ngươì dùng hiển thị sơ đồ và đồ thị trong giám sát cũng như in báo cáo.
Việc điều khiển từ xa cần phải dễ dàng, nhưng vẫn phải đảm bảo tính năng điều khiển bằng tay Đồng thời, giá thành và chi phí lắp đặt cũng phải hợp lý và tiết kiệm.
Ứng dụng trong công tác điều độ hệ thống điện Việt Nam
Quá trình phát triển của công nghệ điều khiển hệ thống điện: Từ những năm
Vào năm 1970, hệ thống máy tính đã được áp dụng rộng rãi trong các trung tâm điều độ hệ thống điện lớn trên toàn cầu Ban đầu, máy tính chủ yếu phục vụ cho việc quản lý kỹ thuật, xử lý dữ liệu và thiết bị trong hệ thống điện, cũng như tính toán các bài toán đơn lẻ Theo thời gian, các phần mềm chuyên dụng đã được phát triển để hỗ trợ quản lý và điều hành hệ thống điện hiệu quả hơn.
Vào đầu những năm 1980, các trung tâm điều khiển hệ thống điện lớn trên thế giới đã được trang bị Hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điều khiển (SCADA) Hệ thống SCADA tự động thu nhận và xử lý dữ liệu, hiển thị các tín hiệu thời gian thực như tần số, điện áp, và các thông số vận hành của thiết bị Nó cho phép theo dõi trạng thái làm việc của các thiết bị như máy phát điện, máy biến áp, và đường dây điện, giúp kỹ sư điều hành hệ thống điện có khả năng giám sát và điều khiển từ xa một cách hiệu quả.
Nguyên lý làm việc của hệ thống SCADA
Khi thiết bị vi phạm giới hạn kỹ thuật hoặc gặp sự cố, hệ thống tự động phát tín hiệu cảnh báo qua chuông, còi và hiển thị thông tin cảnh báo bằng các dòng lệnh màu sắc nhấp nháy Điều này giúp kỹ sư kịp thời xử lý để khôi phục thiết bị về trạng thái bình thường hoặc kích hoạt thiết bị dự phòng, đảm bảo hệ thống điện hoạt động ổn định và kinh tế Tất cả sự kiện liên quan đến thiết bị và chế độ vận hành đều được lưu trữ tự động theo thời gian với độ chính xác đến mili giây, có thể truy xuất dưới dạng bảng biểu, đồ thị, hỗ trợ cho việc xử lý và phân tích sự cố chính xác.
Hệ thống SCADA cho phép kỹ sư điều hành thực hiện các thao tác điều khiển thiết bị từ xa, như khởi động hay ngừng tổ máy phát điện, điều chỉnh công suất và nấc điện áp của máy biến áp Khả năng này giúp giảm bớt nhân lực và tiến tới loại bỏ chế độ người trực vận hành tại các trạm điện và nhà máy Các thiết bị hoạt động tự động, được điều khiển từ xa từ trung tâm điều độ Kể từ thập kỷ 90, hệ thống SCADA tích hợp đã phát triển mạnh mẽ, với chức năng cơ bản là thu thập dữ liệu thời gian thực và đưa ra lệnh điều khiển, đảm bảo hệ thống điện hoạt động ổn định, an toàn và kinh tế.
Các phần mềm ứng dụng thông thường đi kèm là:
- Điều khiển phát điện tự động (AGC: Automatic Generation Control).
- Điều độ kinh tế (ED: Economic Dispatch).
- Phân tích chế độ đột biến (CA: Contingency Analysis).
- Đánh giá trạng thái (SE: State Estimation).
- Tính toán trào lưu công suất (DLF: Dispatch Load Flow).
- Tối ưu hoá trào lưu công suất (OPF: Optimal Power Flow).
- Dự báo phụ tải (LF: Load Forecast).
- Lập kế hoạch vận hành (GP: Generation Planning).
Ứng dụng SCADA trên lưới điện
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hệ thống thông tin đo lường điều khiển xa ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong các nhà máy điện và trạm biến áp thông qua hệ thống tự động hoá Từ năm 1994, khi hệ thống tải điện 500 kV được xây dựng, Trung tâm Điều độ HTĐ quốc gia đã ra đời với hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) làm trung tâm Hệ thống SCADA/EMS (Energy Management System) cũng được áp dụng dần dần trong lưới điện phân phối của các công ty Điện lực, tạo ra triển vọng vận hành HTĐ an toàn, liên tục và kinh tế.
Nguyên tắc làm việc của hệ thống SCADA như sau:
Dữ liệu từ các trạm biến áp và các nhà máy điện được chia làm ba loại chính:
Dữ liệu trạng thái bao gồm thông tin về tình trạng hoạt động của các máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa và các khóa điều khiển từ xa hoặc tại chỗ Ngoài ra, các cảnh báo từ các thiết bị bảo vệ cũng được ghi nhận để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Dữ liệu tương tự: Công suất tác dụng MW, phản kháng MVAr, điện áp, dòng điện, vị trí nấc biến áp v.v
Dữ liệu tích luỹ theo thời gian: Điện năng kWh, kvarh v.v
Dữ liệu trạng thái từ rơ le trung gian được truyền vào các đầu vào số của RTU, trong khi dữ liệu tương tự từ cuộn thứ cấp của máy biến dòng điện và điện áp được đưa vào các bộ biến đổi Đầu ra của bộ biến đổi sau đó được kết nối với các cổng đầu vào tương tự của RTU Tại RTU, dữ liệu được số hoá và gửi về trung tâm điều độ qua kênh truyền.
Lệnh điều khiển từ hệ thống SCADA của trung tâm điều độ thông qua kênh truyền gửi đến RTU (hoặc SAS), các lệnh điều khiển có thể là:
Lệnh đóng cắt máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa (open/close).
Lệnh điều khiển tăng giảm (Raise/Lower)
Lệnh điều khiển thay đổi giá trị đặt (Setpoint)
- Giám sát: Dữ liệu thu thập từ các trạm về trung tâm điều khiển sẽ được máy tính xử lý:
+ Hiển thị trên các sơ đồ, bảng biểu và các dạng đồ thị xu hướng.
Hệ thống SCADA sẽ phát cảnh báo âm thanh và hiển thị thông báo khi phát hiện sự thay đổi trạng thái của dữ liệu, như máy cắt, dao cách ly, và các cảnh báo khác, nhằm thu hút sự chú ý của người vận hành.
Dữ liệu giá trị đo xa sẽ được kiểm tra và so sánh với các ngưỡng dưới và ngưỡng trên đã được xác định trước Nếu giá trị đo được vi phạm các ngưỡng này, hệ thống sẽ gửi cảnh báo đến người vận hành Các chức năng của hệ thống SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và quản lý dữ liệu này.
• Giao tiếp người máy đồ họa hoàn toàn,
• Điều khiển cảnh báo và sự kiện,
• Ghi nhận trình tự các sự kiện,
• Lưu trữ và khôi phục dữ liệu quá khứ,
• Phân tích dữ liệu sự cố,
• Phân tích kết dây và trạng thái hệ thống,
• Xu hướng của dữ liệu động và dữ liệu quá khứ,
• Tạo báo cáo, thường lệ và đặc biệt,
• Biến cố và thẻ báo thiết bị đóng cắt,
• Thông tin liên lạc với các Trung tâm Điều độ. c Các chức năng EMS trong lưới truyền tải
Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) hỗ trợ Trung tâm Điều độ trong việc tối ưu hóa việc điều khiển và vận hành hệ thống điện (HTĐ) Các chức năng chính của EMS được thiết kế để đảm bảo vận hành an toàn và tiết kiệm chi phí Những chương trình ứng dụng này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
• Thiết lập trạng thái kết dây và đánh giá trạng thái.
• Phân tích đột biến (bao gồm cả tự động lựa chọn trường hợp đột biến),
• Trào lưu công suất cho kỹ sư điều hành.
• Vận hành kinh tế trong điều kiện có ràng buộc.
• Phần mềm huy động thủy điện.
• Tự động điều khiển phát điện (AGC).
• Trào lưu công suất tối ưu.
• Phối hợp thuỷ-nhiệt điện.
Các chương trình hỗ trợ cho chế độ thời gian thực và nghiên cứu trong hệ thống SCADA/EMS, với hầu hết thiết bị có cấu hình kép do tính chất quan trọng của hệ thống Để quản lý vận hành lưới điện phân phối cao áp, người ta sử dụng hệ thống SCADA/DMS, trong đó DMS (Distribution Management System) là các ứng dụng hỗ trợ quản lý lưới điện phân phối Ngoài ra, hệ thống tự động hóa lưới phân phối DAS (Distribution Automation System) cũng được sử dụng để quản lý vận hành lưới trung thế phân phối.
Các chức năng DMS giúp vận hành lưới điện phân phối an toàn và hiệu quả nhất, các chức năng điển hình như sau:
Tô màu động theo phân cấp điện áp, phân loại thiết bị hoặc theo mức mang tải v.v
Tính toán trào lưu công suất
Cân bằng phụ tải cho các xuất tuyến hoặc các máy biến áp
Tối thiểu hóa tổn thất công suất theo ràng buộc lưới
Cô lập điểm sự cố và khôi phục lưới
Lập kế hoạch sửa chữa lưới điện
Mô phỏng phục vụ đào tạo điều độ viên
Hiện nay, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã triển khai hệ thống SCADA/DMS tại một số đơn vị, bao gồm hệ thống do ABB cung cấp Cụ thể, hệ thống cũ đang vận hành tại Công ty Điện lực TP Hồ Chí Minh, trong khi hệ thống mới được áp dụng tại Công ty Điện lực Hà Nội Ngoài ra, Công ty Điện lực Đồng Nai và các Điện lực Cần Thơ, Lâm Đồng thuộc Công ty Điện lực 2 cũng đã thành công trong việc triển khai hệ thống SCADA/DMS trên lưới điện phân phối Công ty Điện lực 3 đang hợp tác với ABB Oy để đưa hệ thống SCADA/DMS vào vận hành tại các thành phố Đà Nẵng, Huế, Quy Nhơn và Buôn Ma Thuột.
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG TÁC ĐIỀU ĐỘ HỆ
SCADA trạm và các chức năng của SCADA trạm
SCADA trạm có các chức năng cơ bản sau:
Thu thập số liệu từ các thanh cái của trạm bao gồm các thông số như điện áp (U), dòng điện (I), công suất (P), và công suất phản kháng (Q) Ngoài ra, cần ghi nhận trạng thái của các thiết bị trong trạm, chủ yếu là trạng thái của máy cắt, cầu dao, và điện áp trên thanh cái.
Người điều hành hệ thống và nhân viên trực trạm thực hiện các lệnh từ SCADA điều độ cấp trên, chủ yếu liên quan đến việc đóng cắt máy cắt và điều chỉnh nấc phân áp của máy biến áp.
Giao tiếp giữa người và máy trong hệ thống SCADA được cải tiến thông qua việc sử dụng màn hình, chuột và bàn phím thay vì các bảng điều khiển truyền thống Giao diện người – máy (HMI) giúp người dùng dễ dàng giám sát, thu thập dữ liệu, điều khiển và quản lý hệ thống, nâng cao hiệu quả vận hành trạm.
Ghi nhận và quản lý lịch sử vận hành trạm cùng các sự kiện quan trọng như báo động và sự cố là rất cần thiết Việc lưu trữ các quá trình thao tác trong hệ thống không chỉ giúp theo dõi hiệu suất mà còn hỗ trợ phát hiện và xử lý lỗi kịp thời khi sự cố xảy ra.
Quản lý cơ sở dữ liệu lịch sử của trạm là một yếu tố quan trọng, giúp in báo cáo cho cấp trên và gửi số liệu lên hệ thống SCADA điều độ cấp trên.
• Có một cơ chế tự động tạo và in các báo các khi cần thiết.
• Có khả năng truyền thông với cấp trên như: nhận lệnh từ cấp trên đưa xuống và tiến hành gửi các báo cáo theo yêu cầu của cấp trên.
• Truyền tin với cấp dưới của SCADA trạm là các transmitter, sensor, cơ cấu chấp hành.
Các kiến trúc của SCADA trạm
Hiện nay, thiết bị đo lường và điều khiển thông minh như transmitter số, RTU và PLC đang phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, từ chế biến thực phẩm đến khu công nghiệp Các hệ thống SCADA sử dụng RTU và PLC ngày càng phổ biến, với xu hướng ưa chuộng PLC hơn Nhiều phần mềm SCADA mới đã ra đời, hỗ trợ thiết kế hệ thống, cùng với các sản phẩm từ các hãng như Wonderware, Siemens và Nari.
Nói chung, chúng ta có thể phân các sản phẩm này thành một số kiểu cấu trúc sau: a) Kiến trúc kiểu PC/PLC
Kiến trúc PC kết hợp với PLC sử dụng hệ điều hành Unix hoặc Windows, kết hợp với bộ biến đổi, transmitter analog và sensor để thu thập dữ liệu Kiến trúc này phù hợp cho ứng dụng SCADA ở các trạm quy mô nhỏ, mặc dù chi phí đầu tư tương đối cao.
Kiểu kiến trúc này sử dụng các thiết bị đầu cuối, transmitter analog và cảm biến để thu thập trạng thái hệ thống, sau đó gửi dữ liệu về máy tính để xử lý và điều khiển cơ cấu chấp hành Kiến trúc dựa trên các RTU thường được áp dụng cho hệ thống SCADA quy mô nhỏ và vừa, với ưu điểm là chi phí thấp, nhưng việc lắp đặt và thiết kế hệ thống lại khá phức tạp Tuy nhiên, trong tương lai, kiểu kiến trúc này có thể sẽ không còn phổ biến Bên cạnh đó, kiến trúc dựa trên PC/PLC/Transmitter số đang ngày càng trở nên phổ biến hơn.
Máy tính PC hoạt động như máy chủ trong hệ thống, kết nối với các PLC và transmitter số thông minh qua mạng RS-485 Nhiệm vụ của PC bao gồm thu thập dữ liệu, điều khiển, ghi nhận trạng thái và xử lý sự cố Nó cũng hiển thị giao diện người-máy và quản lý cơ sở dữ liệu Kiến trúc này rất phù hợp cho các trạm quy mô lớn và ngày càng trở nên phổ biến do sự phức tạp ngày càng tăng của hệ thống và quy mô trạm.
Lợi ích của việc sử dụng SCADA trạm
SCADA trạm cung cấp nhiều lợi ích quan trọng trong thiết kế, xây dựng, vận hành, bảo trì và nâng cấp trạm khi cần mở rộng Hệ thống này không chỉ cải thiện chất lượng giám sát và vận hành mà còn nâng cao tính tin cậy của toàn bộ hệ thống trạm Các lợi ích chính của SCADA trạm bao gồm việc tối ưu hóa quy trình, giảm thiểu thời gian chết và nâng cao hiệu quả hoạt động.
3.1 Lợi ích khi thiết kế và xây dựng trạm
• Giảm bớt số lượng các thiết bị dự phòng.
Giảm thiểu hạ tầng cơ sở của trạm bao gồm việc tối ưu hóa đường cáp tín hiệu và ống dẫn dây, giảm số lượng tủ bảng đo lường và tủ bảng điều khiển, cùng với việc thu gọn diện tích nhà điều hành trạm.
• Dễ dàng nâng cấp, mở rộng hệ thống điều trạm.
3.2 Lợi ích khi vận hành
• Tự động ghi nhận các hoạt động ghi nhận các hoạt động điều hành trạm của người trực trạm cũng như các lệnh điều hành của cấp trên.
• Có cơ sở dữ liệu vận hành để dùng trong việc vận hành, phân tích, tính toán với hệ thống, điều khiển thời gian thực.
Việc tự động hóa hoàn toàn hệ thống trạm giúp giảm thiểu số lượng nhân công vận hành, đồng thời hạn chế đáng kể các sai sót do con người gây ra trong quá trình vận hành.
3.3 Lợi ích trong bảo trì hệ thống
• Có cơ sở dữ liệu về lịch sử vận hành, lịch sử thao tác trạm, các báo động, thông tin về sự cố luôn có sẵn trên hệ thống.
• Các thiết bị đo có thể được trực tiếp lập trình về các thông số cấu hình, chẩn đoán, chỉnh định hệ thống…
Lập kế hoạch bảo trì thiết bị trở nên dễ dàng hơn nhờ vào việc phân tích dữ liệu tình trạng hoạt động của thiết bị Việc này giúp giảm chi phí bảo trì nhờ vào thông tin cụ thể về hệ thống.
3.4 Tăng cường tính tin cậy của hệ thống
Giao diện người-máy thân thiện với giải thích rõ ràng và cơ chế kiểm tra hoạt động giúp giảm thiểu tối đa khả năng thao tác nhầm và sai sót của người trực trạm.
• Tăng số lượng, chất lượng và độ tin cậy của việc thu thập số liệu.
Cung cấp thông tin nhanh chóng và chính xác về lịch sử thao tác và vận hành trạm giúp đưa ra quyết định kịp thời trong trường hợp hệ thống gặp sự cố hoặc cần nâng cấp, bảo trì.
• Trên cơ sở có các cảnh báo sớm sẽ khiến cho việc bảo trì đúng thời hạn sẽ giảm thiểu đáng kể các rủi ro hỏng hóc mang lại.
Việc thu thập số liệu thời gian thực cho phép xác định và xử lý nhanh chóng tình trạng quá tải Các khu vực bị quá tải sẽ được bù đắp ngay lập tức bằng hệ thống nguồn cấp dự phòng khác, giúp giảm đáng kể thời gian mất điện do sự cố quá tải hệ thống.
TỔ CHỨC CỦA SCADA TRẠM
Tổ chức của SCADA
Hệ thống SCADA có các đặc điểm nổi bật: a) Nó vừa truyền tin vừa thu thập số liệu, thực hiện tính toán và tương tác với người dùng trong thời gian thực; b) Hệ thống tích hợp nhiều tính năng, trong đó một số yêu cầu tính toán phức tạp (như lập báo cáo, phân tích hệ thống), trong khi những tính năng khác cần tính thời gian chặt chẽ (như thu thập số liệu, cảnh báo); c) Một số tính năng hoạt động liên tục (như đo lường và thu thập thông số), trong khi các tính năng khác chỉ hoạt động theo yêu cầu hoặc định kỳ (như in báo cáo); d) Một số tính năng là bắt buộc, trong khi những tính năng khác có thể được tùy chọn thêm hoặc bớt mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.
Hệ thống SCADA trạm được triển khai trên một máy tính cá nhân đơn bộ xử lý, cho phép thực hiện đa chức năng và đa luồng thông qua việc phân chia thời gian giữa các luồng hoạt động Nó hỗ trợ đa tác vụ và thực hiện đa xử lý ở cấp transmitter số Hệ thống SCADA trạm của chúng ta được xây dựng từ nhiều đối tượng khác nhau.
• Đối tượng cấp trường đó là các trasmitter số thông minh, các bộ chuyển đổi, các sensor cảm biến.
• Đối tượng lập báo cáo( hiển thị và in ấn các báo cáo).
• Đối tượng truyền tin với cấp trên.
• Đối tượng quản lý cơ sở số liệu về lịch sử vận hành, lịch sử sự kiện thao tác, sự cố…
• Đối tượng thiết kế các trang hiển thị( gồm các thanh tác vụ tasbar, bus bar…).
• Đối tượng thiết kế báo cáo.
• Đối tượng lập cấu hình hệ thống.
Lựa chọn hệ điều hành
Ngày nay, kỹ thuật phần cứng máy tính đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là dòng chip xử lý Pentium của Intel, mang lại bước nhảy vọt trong tính toán và xử lý dữ liệu Giao diện đồ họa GUI ngày càng hoàn thiện và thân thiện với người sử dụng Hệ thống thư viện đồ họa phong phú của Microsoft Windows cùng với các giao tiếp đồ họa chuẩn đã thúc đẩy sự tiến bộ trong thiết kế giao diện.
Máy tính PC, mặc dù không đạt độ tin cậy như máy tính công nghiệp, vẫn đáp ứng tốt nhu cầu xử lý và tính toán trong các quy trình công nghiệp nhờ vào công nghệ điện tử hiện đại Trước đây, hệ điều hành MS-DOS được sử dụng, nhưng với quy mô và khối lượng công việc ngày càng lớn, DOS không còn đủ khả năng đáp ứng Hệ điều hành Windows đã mang lại sự thay đổi đáng kể, vì vậy chúng tôi quyết định phát triển bộ phần mềm SCADA trạm dựa trên hệ điều hành Microsoft Windows, phiên bản Windows 2000/Windows XP.
Microsoft Windows XP là một hệ điều hành tiên tiến, hỗ trợ đa chương trình và có hệ thống bảo mật nghiêm ngặt Hệ thống SCADA có nhiều chức năng như hiển thị đồ hoạ, tạo báo cáo, quản lý cơ sở dữ liệu và điều khiển hệ thống Việc tích hợp tất cả chức năng vào một chương trình duy nhất sẽ gây phức tạp và tăng nguy cơ lỗi Hơn nữa, quản lý và điều khiển hệ thống sẽ gặp khó khăn khi tất cả tác vụ được gộp chung Nhiều chức năng không được sử dụng liên tục, dẫn đến hiệu quả thấp Do đó, giải pháp tối ưu là chia nhỏ chương trình thành các module độc lập với chức năng riêng, chạy trên hệ điều hành đa nhiệm.
Microsoft Windows XP có khả năng quản lý bộ nhớ lớn với khả năng đánh địa chỉ trực tiếp 32bit, cho phép truy cập tới 4GB ô nhớ Điều này đáp ứng đầy đủ yêu cầu của mọi phần mềm, giúp lập trình viên không còn lo lắng về vấn đề thiếu bộ nhớ.
Microsoft Windows XP cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho các giao tiếp mạng, bao gồm Internet, Ethernet công nghiệp, và các mạng cục bộ như LAN và WAN Hệ điều hành này cũng hỗ trợ modem, giúp lập trình viên dễ dàng thiết lập các giao tiếp truyền thông cần thiết với nỗ lực tối thiểu.
Microsoft Windows XP hỗ trợ đa phương tiện, cho phép lập trình viên dễ dàng tích hợp âm thanh và hình ảnh động, làm cho giao diện HMI trở nên gần gũi và thực tế hơn.
• Microsoft Windows XP ngoài việc sử dụng phần cứng của Intel ra chúng ta có thể sử dụng phần cứng của nhiều hãng phần cứng khác nhau.
Triển khai xây dựng bộ phần mềm cho SCADA trạm
Hệ thống SCADA trạm là một cấu trúc phức tạp, tích hợp nhiều tính năng và chức năng khác nhau Nó được tổ chức dưới dạng một tập hợp các chương trình hoạt
TRẠM ĐIỆN VÀ SCADA TRẠM
SCADA trong hệ thống điện lực
1.1 Các cấp quản lý trong hệ thống điện lực
Mục tiêu chính của SCADA cho các trạm điện trong hệ thống điện lực Việt Nam là để đáp ứng nhu cầu tự động hóa và số hóa, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống điện.
Bước đi này không chỉ là một phần quan trọng trong quá trình hiện đại hóa hệ thống điện, mà còn thể hiện trình độ kinh tế - kỹ thuật của lưới điện Việt Nam.
Bảng dưới đây tóm tắt sơ lược những cấp quản lý trong việc phân bổ điện:
Qua trên chúng ta nhận thấy một số điều:
Trong mạng siêu cao áp, việc tính toán và xử lý số liệu để đưa ra lệnh điều khiển hệ thống yêu cầu tính chính xác và kịp thời, nhiệm vụ này thuộc về trung tâm điều độ quốc gia A0 Các trung tâm phân phối điện lưới cấp miền không thể đảm đương công việc này, do việc thu thập số liệu và điều khiển hệ thống thường nằm xa trong quản lý của các trạm Do đó, để điều khiển từ xa, các trung tâm điều độ cần một hệ thống thông tin công nghiệp hiệu quả để nhận số liệu từ cấp dưới và gửi lệnh xuống Việc quản lý phân phối cung cấp điện ở cấp cao áp thường được giao cho các trung tâm điều độ miền, những trung tâm này cũng tham gia giám sát hệ thống và giảm bớt gánh nặng điều khiển cho SCADA cấp trên.
Các trạm tự động hóa thực hiện các tác vụ thu thập dữ liệu hệ thống, điều khiển tải lưới và ổn định hệ thống Khi được tự động hóa hoàn toàn, việc giám sát và điều khiển lưới trở nên đơn giản hơn SCADA chỉ cần gửi một bản tin để điều khiển thiết bị cấp dưới, và thao tác sẽ được thực hiện qua các PLC hoặc RTU tại trạm Ngược lại, khi cần dữ liệu từ hệ thống, SCADA chỉ cần gửi yêu cầu để nhận số liệu từ các trạm.
2 Các loại hình SCADA trong hệ thống điện
Dựa vào các phân tích bên trên ta đề ra hai loại hình SCADA sau:
2.1 SCADA điều độ cấp quốc gia Đây là một trung tâm mang tính điều độ cấp cao, mang tính huyết mạch của hệ thống điện Việt Nam Nó làm nhiệm vụ điều tiết toàn bộ điện năng trên lưới. SCADA điều độ quốc gia giúp cho việc phân bổ điện năng thông suốt trên khắp ba miền SCADA điều độ quốc gia đảm đương các nhiệm vụ sau:
- Thu thập các số đo, các trạng thái, tình hình phụ tải từ các trung tâm điều độ miền đưa lên.
Trung tâm SCADA điều độ quốc gia không trực tiếp thu thập số liệu hay điều khiển hệ thống, mà thực hiện nhiệm vụ này thông qua các trạm phía dưới Dữ liệu được thu thập và hệ thống được điều khiển thông qua các lệnh dưới dạng bản tin.
Sơ đồ về cấp SCADA trong hệ thống điện Việt Nam hình vẽ
2.2 SCADA điều độ cấp miền
Tại các trung tâm điều độ miền, dữ liệu hệ thống được trạm gửi lên để phân tích và đánh giá, từ đó đưa ra quyết định điều khiển nhằm ổn định hệ thống SCADA điều độ miền đóng vai trò trung gian giữa SCADA điều độ quốc gia và SCADA trạm, với những nhiệm vụ đặc trưng quan trọng.
- Thu thập số liệu từ các SCADA trạm.
Phân tích biểu đồ phụ tải là bước quan trọng để đánh giá và đề xuất các phương án điều độ, phân chia phụ tải và ổn định lưới điện Các trung tâm điều độ miền đóng vai trò then chốt trong việc hướng dẫn các hệ thống SCADA tại các trạm, giúp điều tiết công suất tải và quản lý hiệu quả hệ thống điện.
2.3 SCADA trạm Đây là một trung tâm máy tính điều khiển mà tác động trực tiếp đến chất lượng trong lưới điện vì đây là một nơi mà các tác động điều khiển trực tiếp tác động vào hệ thống điện Lưới điện có thể ổn định và bền vững hay không phụ thuộc rất nhiều các trung tâm SCADA trạm này Vậy nhiệm vụ của SCADA trạm là phải trực tiếp:
- Thao tác điều khiển lên các thiết bị của hệ thống, các máy biến áp…
- Thu thập và giám sát các thông số về hệ thống.
- Điều khiển đóng/cắt nhằm bảo vệ hệ thống trong trường hợp lưới gặp sự cố như quá tải, chạm chập…
Dữ liệu từ báo cáo SCADA cấp trên được sử dụng để phân tích và đánh giá hệ thống, hỗ trợ trong việc khắc phục sự cố hoặc nâng cấp hệ thống Mạch thu thập số liệu và điều khiển được thiết kế nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
- Một PLC và các module AI/AO, DI/DO.
- Một bộ RTU với các transmitter analog.
- Một bộ các transmitter số thông minh.
SCADA trạm được thiết kế còn có các bus truyền tin phục vụ cho các tác vụ truyền thông sau:
Bus truyền số liệu RS-485 kết nối các PLC, RTU và transmitter số thông minh với trung tâm điều khiển là máy tính PC, giúp truyền lệnh hiện trường hiệu quả.
- Một bus truyền tin theo kiểu RS-323 để giao tiếp truyền thông với SCADA điều độ cấp trên.
Trung tâm điều khiển bao gồm các máy tính PC, với số lượng tùy thuộc vào quy mô của trạm Đối với các trạm nhỏ, một máy tính PC tốc độ cao với khả năng xử lý nhanh và dung lượng bộ nhớ lớn có thể đủ để đảm nhận vai trò của trung tâm điều khiển và giám sát Trong khi đó, các trạm lớn với yêu cầu an toàn cao nên sử dụng một máy chuyên dụng cho nhiệm vụ điều khiển và một máy PC khác để thu thập dữ liệu.