Tài liệu thuyết minh môn học tụ động hóa và bảo vệ trạm biến áp chương 2 – cấu trúc sas

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰCKHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

-🙣🙣🙣 -TÀI LIỆU THUYẾT MINH

MÔN HỌC TỤ ĐỘNG HÓA VÀ BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁPCHƯƠNG 2 – CẤU TRÚC SAS

Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN TRƯỜNG GIANG

Hà Nội, tháng 4 năm 2024

Mục Lục

Chương 2 – Cấu trúc SASng 2 – C u trúc SASấu trúc SAS

1.Thuật ngữ, khái niệm 2

1.1.Trạm điện ( Trạm cắt, Trạm bù, Trạm Biến áp ) 2

1.2.Trạm điện có người trực và không có người trực 2

1.2.1 Trạm biến áp có người trực 2

1.2.2 Trạm biến áp không người trực 3

2.Các mức trong hệ thống tự động hóa trạm biến áp (SAS) 3

2.1.Mức trạm 3

2.2.Mức ngăn lộ 5

2.3.Mức quá trình 6

3.Mối quan hệ, sự liên kết , cách thức hoạt động của 3 cấp 7

3.1.Mối quan hệ giữa các cấp 7

3.2.Sự liên kết giữa cấp trạm, cấp ngăn lộ và cấp quá trình 7

3.3.Cách thức hoạt động của mỗi mức trong (SAS) 8

4.Cấu trúc của SAS 9

4.1.Giao thức Modbus RTU 9

4.2.Các thành phần trong cấu trúc SAS 9

5.Ví dụ thực tế (Hệ thống giảm sát nước sạch) 10

Kết luận 12

Tài liệu tham khảo 13

1 Thuật ngữ, khái niệm

1.1 Trạm điện ( Trạm cắt, Trạm bù, Trạm Biến áp )

Trạm cắt: Là trạm gồm các thiết bị đóng cắt, các thanh dẫn, không có máy biến áp

lực

Trạm bù: Là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách

điện (điện môi).

Trạm biến áp: Trạm biến áp là nơi tập trung các máy biến áp, đồng thời cũng là nơi

chứa các thiết bị phân phối điện khác để tạo thành hệ thống truyền tải điện hoàn chỉnh cho mỗi dự án và công trình đang vận hành.

1.2.Trạm điện có người trực và không có người trực 1.2.1 Trạm biến áp có người trực

Trạm biến áp có người trực là trạm điện được vận hành tại chỗ bởi nhân viên làm việc trong trạm điện

Để vận hành một trạm biến áp truyền thống phải cần ít nhất từ 10 đến 15 công nhân để vận hành và giám sát các thông số.

Ưu điểm:

 Đảm bảo an toàn cho hệ thống điện và con người  Tăng hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.

 Giảm thiểu rủi ro và sự cố xảy ra trong quá trình vận hành  Duy trì tuổi thọ và tính ổn định của trạm biến áp.

Nhược điểm:

 Mất thời gian đào tạo nhân viên  Mất nhiều nguồn lực nhân viên

Việc thao tác trong trạm theo mệnh lệnh điều khiển thông qua điện thoại sẽ tiềm ẩn các tình huống gây mất an toàn, rủi ro khi công nhân vận hành trực tiếp thao tác trên thiết bị.

1.2.2 Trạm biến áp không người trực

Trạm biến áp không người trực là trạm điện không được vận hành bởi nhân viên làm việc trong trạm điện

Ngoài các thiết bị cơ khí truyền thống như máy biến áp, máy cắt, máy bộ điều khiển, Tram biến áp KNT còn được trang bị các hệ thống kiểm soát và giám sát tự động, bao gồm hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) để quản lý và giám sát hoạt động của trạm biến áp.

Ưu điểm:

 Tăng cường hiệu quả vận hành, giảm thiểu chi phí hoạt động: Trạm biến áp không người trực có thể giảm thiểu chi phí hoạt động bằng cách tối ưu hóa vận hành và sử dụng nguồn năng lượng một cách hiệu quả hơn

 Cải thiện an toàn  Tăng cường quản lý

 Tăng cường bảo vệ môi trường

Nhược điểm:

 Chi phí đầu tư ban đầu cho các thiết bị cảm biến, hệ thống điều khiển tự động, máy tính và các công nghệ cao.

 Cần sự đầu tư lớn về thời gian và nguồn lực để đảm bảo rằng nhân viên có đủ kiến thức và kỹ năng để vận hành và bảo trì trạm biến áp tự động một cách an toàn và hiệu quả.

2 Các mức trong hệ thống tự động hóa trạm biến áp (SAS) 2.1.Mức trạm

Mức trạm thực hiện các nhiệm vụ:

➢ Cung cấp giao diện người máy Giao diện người máy phục vụ cho việc vận hành và giám sát trạm biến áp HMI được cài đặt trên hệ thống máy tính trạm (Workstation)

➢ Thực hiện các chức năng điều khiển tại chỗ và tự động hóa mức trạm  Độ tin cậy cao

 Luôn sẵn sàng đảm bảo độ khi kết nối vào kênh đo lường và máy trạm riêng ➢ Hỗ trợ trực năng điều khiển xa

➢ Thu thập và lưu trữ cơ sở dữ liệu mức trạm  Thường xuyên cập nhật trạng thái  Truy cập thông qua mạng LAN

➢ Trao đổi dữ liệu giữa mức trạm và mức ngăn lộ

 Gửi lệnh điều khiển, các thông số cấu hình và dữ liệu, truy xuất trạng thái quá trình và các sự cố cục bộ và dữ liệu nhiễu loạn.

 Nhà sản xuất ảnh hưởng đến kiến trúc hệ thống điều khiển được lắp đặt Master/ Slave dựa trên cấu trúc dạng sao với một trung tâm điều khiển

 Giao thức đa ngang hàng (Multi peers) cho phép phân tán các chức năng giữa thiết bị cấp ngăn lộ và các chức năng mức trạm tới các thiết bị khác nhau.

➢ Xử lý truy cập dữ liệu

 Các chức năng mức trạm đều cần đường dẫn truy cập cơ sử dữ liệu quá trình, kích hoạt thông qua một chức năng truyền thông chuyên dụng tùy thuộc vào loại dữ liệu cần truy cập cũng như giao thức truyền thông được sử dụng  Dùng mạng LAN

➢ Đồng bộ hóa thời gian  Giờ địa phương:

Đồng bộ thời gian thông qua đồng bộ xung: Một dây dẫn hoặc cáp quang riêng biệt sử dụng cho việc phân bố một xung đồng bộ một lần mỗi giây hoặc mỗi phút tới tất cả các IED liên quan.

Đồng bộ thời gian thông qua bus truyền thông: Một đồng hồ master được đặt tại mỗi bus truyền thông để duy trì thời gian chính xác Các đồng hồ này đều được nối tới các IED cần đồng bộ hóa thời gian Tín hiệu điện báo thời gian từ đồng hồ master được phát rộng (broadcast) tới các động hồ Slave hoặc bằng cách đồng hồ Slave thường xuyên yêu cầu xác nhận thời gian.

 Giờ quốc tế

Đồng hồ này có thể đặt ở trung tâm điều khiển lưới điện NCC để đồng bộ các đồng hồ đặt tại các hệ thống tự động hóa trạm biến áp nối vào và các RTUs.Biện pháp có độ

chính xác cao hơn hiện giờ đang được sử dụng là sử dụng các đồng hồ master trên sóng radio để đồng bộ hóa.

2.2 Mức ngăn lộ

Trong một hệ thống Tự động hóa Trạm biến áp (Substation Automation System -SAS), cấu trúc của cấp ngăn lộ thường bao gồm các thành phần sau:

1 Ngăn lộ (Busbar): Là phần trung tâm của cấp ngăn lộ, kết nối các thiết bị như

máy biến áp, máy cắt, máy chuyển đổi, và các thiết bị bảo vệ trong trạm biến áp.

2 Intelligent Electronic Devices (IEDs): Các thiết bị điện tử thông minh được đặt

gần ngăn lộ để thu thập dữ liệu và điều khiển các thiết bị trong cấp ngăn lộ Điều này bao gồm các máy cắt, máy biến áp, cảm biến, vv

3 Communication Infrastructure: Hệ thống liên lạc để truyền dữ liệu giữa các

IEDs và các trạm điều khiển, thường sử dụng các giao thức như IEC 61850, DNP3, Modbus, ICCP, vv

4 Automation Control: Các hệ thống điều khiển tự động để quản lý và điều khiển

hoạt động của cấp ngăn lộ, đảm bảo an toàn và hiệu suất của hệ thống

5 Các bộ chuyển đổi (Switchgear): Bao gồm các máy cắt, máy chuyển đổi, máy

cách ly và các thiết bị bảo vệ, được sử dụng để kiểm soát và bảo vệ dòng điện trong cấp ngăn lộ

6 Các cảm biến và thiết bị giám sát (Sensors and Monitoring Devices): Được sử

dụng để đo lường các thông số như dòng điện, điện áp, nhiệt độ, và gửi dữ liệu về trạm điều khiển để giám sát và điều khiển hệ thống

2.3.Mức quá trình

Mức quá trình gồm các thiết bị cao áp

 Thiết bị đóng cắt dùng cho trạm GIS hoặc AIS  Các máy biến áp đo lường

 Các máy biến áp lực  Chống sét

=>Các thao tác điều khiển ở mức quá trình chỉ liên quan đến một thiết bị nhất thứ duy nhất: Thao tác vận hành mức quá trình là tác động trược tiếp vào thiết bị đóng cắt

Thiết bị mức quá trình gồm có:

 Dây cáp cứng nối với thiết bị nhất thứ

 Các công tắc tương tự chỉ thị vị trí của thiết bị đóng cắt

 Các rơ le điều khiển điện cơ với các liên kết điện từ nhằm truyền các lệnh điều khiển tới thiết bị đóng cắt cơ khí hoặc các IED

 Các kết nối của các CT và VT thông thường hoặc CT, VT điện quang để đo dòng điện và điện áp

 Các cảm biến đo lường không điện ví dụ như mật độ khí, áp suất dầu và khí, nhiệt độ, độ rung etc để cung cấp các tín hiệu điện hoặc các tín hiệu điện tín nối tiếp

 Các liên kết truyền thông nối tiếp nếu có thể ứng dụng

Để đo điện áp và dòng điện, công nghệ mới cho phép sử dụng các cảm biến điện tử được đặt trực tiếp trong thiết bị chuyển mạch thay cho CT,VT và cảm biến truyền thống; các dây dẫn cứng được chuyển thành process bus nối tiếp.

Để công nghệ mới trong đo lường, cần có một tiêu chuẩn truyền thông về giao tiếp bus (tiêu chuẩn IEC61850)

Việc thay đổi về công nghệ sẽ dẫn đến thay đổi về cấu trúc hệ thống SA, cho phép thay đổi từ các tín hiệu I/O đến các chức năng phụ kết hợp với cảm biến điện tử, ví dụ như hỗ trợ bảo dưỡng và quản lý thiết bị Những điều này được gọi là cảm biến và chấp hành thông minh, và toàn bộ khái niệm được nhắn đến như thiết bị đóng cắt thông minh.

3 Mối quan hệ, sự liên kết , cách thức hoạt động của 3 cấp 3.1.Mối quan hệ giữa các cấp

 Cấp quá trình cung cấp dữ liệu cụ thể về hoạt động của các thiết bị điện trong trạm

 Dữ liệu từ cấp quá trình được thu thập và xử lý ở cấp ngăn lộ để chuẩn bị cho việc truyền đến cấp trạm.

 Cấp trạm là nơi tổng hợp và quản lý toàn bộ dữ liệu từ các cấp ngăn lộ, đồng thời điều khiển các thiết bị trong trạm.

=> Sự tương tác giữa các cấp này giúp SAS hoạt động một cách hiệu quả và đáng tin cậy, đồng thời cung cấp các dữ liệu và chức năng quản lý cần thiết để giám sát và điều khiển hệ thống điện.

3.2.Sự liên kết giữa cấp trạm, cấp ngăn lộ và cấp quá trình

Liên kết giữa cấp trạm và cấp ngăn lộ:

 Cấp trạm là trung tâm quản lý và điều khiển của SAS Nó nhận dữ liệu từ cấp ngăn lộ để hiển thị thông tin tổng quan về trạm và cung cấp chức năng điều khiển toàn diện.

 Cấp trạm gửi các lệnh điều khiển xuống mức ngăn lộ để thực hiện các hoạt động cụ thể, như đóng/mở công tắc, điều chỉnh máy biến áp, v.v.

Liên kết giữa mức ngăn lộ và quá trình:

 Cấp ngăn lộ là giao diện trung gian giữa cấp trạm và các thiết bị điện trong trạm.

 Nó thu thập dữ liệu từ các thiết bị ở cấp quá trình và chuyển đổi chúng thành các thông tin dễ hiểu hơn để gửi lên cấp trạm.

 Cấp ngăn lộ nhận lệnh điều khiển từ cấp trạm và chuyển chúng xuống cấp quá trình để thực hiện các hành động điều khiển cụ thể.

=> Sự liên kết chặt chẽ giữa các mức này đảm bảo rằng thông tin được truyền đạt và xử lý một cách chính xác và đáng tin cậy trong SAS, từ việc thu thập dữ liệu ở mức quá trình đến việc hiển thị thông tin và điều khiển hoạt động của trạm ở mức trạm.

3.3.Cách thức hoạt động của mỗi mức trong (SAS)

Mức trạm (Station level):

 Cấp trạm là trung tâm quản lý và điều khiển của SAS.

 Tại cấp trạm, dữ liệu từ các mức ngăn lộ được thu thập và hiển thị trên giao diện người dùng để giám sát hoạt động của trạm.

 Cấp trạm cũng cung cấp các chức năng điều khiển để người quản lý có thể thực hiện các hành động như điều chỉnh cài đặt, đóng/mở công tắc, v.v

 Ngoài ra, cấp trạm còn có thể thực hiện việc lưu trữ dữ liệu lịch sử, phân tích và báo cáo về hoạt động của hệ thống.

Mức ngăn lộ (Bay Level):

 Cấp ngăn lộ là trung gian giữa cấp quá trình và cấp trạm trong SAS

 Tại cấp ngăn lộ, các dữ liệu từ các thiết bị ở cấp quá trình được thu thập, xử lý và chuyển đổi thành định dạng phù hợp để gửi đến cấp trạm.

 Ngoài ra, cấp ngăn lộ cũng nhận lệnh điều khiển từ cấp trạm và chuyển chúng xuống các thiết bị ở cấp quá trình để thực hiện các hành động điều khiển cụ thể.

Mức quá trình (Process Level):

 Cấp quá trình là cấp độ thấp nhất trong SAS, nơi các thiết bị điện thực sự hoạt động như máy biến áp, công tắc, cảm biến, máy phát điện, v.v.

 Các thiết bị này được kết nối với các bộ điều khiển và các cảm biến đo lường để thu thập dữ liệu về trạng thái và hoạt động của chúng.

 Dữ liệu từ các thiết bị này được gửi đến cấp ngăn lộ để xử lý và chuyển tiếp lên cấp trạm.

=> Tổng thể, SAS hoạt động như một hệ thống thông tin và điều khiển phân tán, trong đó dữ liệu được thu thập và xử lý tại các cấp quá trình và ngăn lộ, trước khi được tổng hợp và hiển thị tại cấp trạm để quản lý và điều khiển hệ thống điện.

4 Cấu trúc của SAS 4.1.Giao thức Modbus RTU

 Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý

 Modbus được sử dụng để kết nối với máy tính với các thiết bị đầu cuối ( RTU ) hay hệ thống SCADA )

 Thông thường thì một frame truyền Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ - 1 byte mã hàm - n byte dữ liệu - 2 byte CRC

Byte địa chỉ: để xác định thiết bị mạng địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với Slave)

hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master)

Byte mã hàm: được quy định từ Master, dùng để xác định yêu cầu dữ liệu từ

thiết bị Slave

Byte dữ liệu: dùng để xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave.

Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền và cách tính giá trị của Byte CRC

16 Bit

4.2.Các thành phần trong cấu trúc SAS

Master Station (Trạm chủ): Đây là trung tâm điều khiển của hệ thống, nơi các

tín hiệu từ các thiết bị trên thực địa được thu thập và xử lý Nó chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu từ các thiết bị phụ trợ như các cảm biến, thiết bị điều khiển và các trạm con khác trong hệ thống Master Station cũng cung cấp giao diện người dùng để người vận hành có thể theo dõi và điều khiển các quy trình trong hệ thống

HMI (Human-Machine Interface - Giao diện Người-Máy): HMI là phần giao diện

người-máy của hệ thống SAS Nó cung cấp một cách cho người vận hành tương tác với hệ thống HMI thường bao gồm các màn hình hiển thị, nút bấm, thanh trượt và các thành phần khác cho phép người vận hành xem trạng thái của hệ thống và thực hiện các lệnh điều khiển.

Server (Máy chủ): Đây là các thiết bị tính toán chính trong hệ thống, chịu trách

nhiệm lưu trữ và xử lý dữ liệu thu thập được từ các thiết bị trên thực địa Server thường được sử dụng để lưu trữ dữ liệu lớn và thực hiện các nhiệm vụ tính toán phức tạp.

Workstation (Máy trạm): Các máy trạm là các thiết bị được sử dụng bởi các nhà

điều hành hoặc kỹ sư để giám sát và điều khiển hệ thống Chúng thường được kết nối trực tiếp với Master Station hoặc Server.

Bay Control Unit (Bộ điều khiển mức ngăn): Đây là các thiết bị điều khiển cụ thể

tại các trạm hoặc phân phối, quản lý việc điều khiển và giám sát các thiết bị cụ thể như máy biến áp, công tắc, và cầu chì Bay Control Unit thường được lắp đặt trực tiếp tại các trạm điện để thực hiện điều khiển cục bộ.

=> Các thành phần này là những phần cơ bản của một hệ thống SAS và được tổ chức thành một cấu trúc mạng linh hoạt để đảm bảo việc giám sát và điều khiển hiệu quả hệ thống điện.

5 Ví dụ thực tế (Hệ thống giảm sát nước sạch)

Tính năng chung của hệ thống

Phần mềm SCADA được chạy trên máy tính chủ server tại phòng giám sát trung tâm với giao diện thiết kế web Hệ thống được xây dựng với tính mở, giúp quản lý số lượng điểm đo lớn, xây dựng bản đồ Gis chuyên ngành mạng lưới cấp nước, dữ liệu GIS chuyên ngành được phân tách thành nhiều lớp: Thủy đài, Đồng hồ tổng, Trụ cứu hỏa, Máy bơm, Trạm bơm, Điểm đấu nối ( Tê, co, thập, khuỷu, ), van, đường ống, datalogger,

Bộ datalogger cho BKAII thiết kế và sản xuất có chức năng thu thập số liệu từ cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất, xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu về máy tính trung tâm qua F2103 GPRS IP Modem sử dụng hạ tầng mạng GPRS/3G vốn đang được phủ sóng khắp nước ta.

Giao diện web thân thiện, dễ sử dụng, hỗ trợ song ngữ anh - việt.

Tính năng thu thập và giám sát

 Tính năng thu thập và giám sát  Thu thập thông tin cảm biến áp suất  Thu thập thông tin cảm biến lưu lượng

 Thu thập thông tin chất lượng nước: Hàm lượng clo dư, độ đục, độ PH, ( tính năng mở rộng tùy theo yêu cầu của KH)

 Thực hiện các công thức tính toán chuyên ngành

 Lưu trữ các thông tin dữ liệu trong hệ quản trị dữ liệu Microsoft SQL Server.