Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu & thiết kế hệ thống Scada trên nền web thu thập dữ liệu và quản lý điện năng

Đề tài tập trungnghiên cứu vào mảng thu thập và quản lý điện năng với mong muốn tạo nềntảng cho các mạng lưới điện trên phạm vi của một vùng trong một quốc gia có được đầy đủ thông tin q

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

DO THANH THÁI

NGHIÊN CUU & THIẾT KEHỆ THONG SCADA TREN NEN WEB _THU THẬP DU LIEU VA QUAN LY ĐIỆN NANG

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điều Khién & Tự Động Hóa

Mã số: 60520216

LUẬN VÁN THẠC SĨ

TP HỎ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRƯỜNG ĐẠI HOC BACH KHOA —DHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Truong Dinh Chau

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Nguyễn Quốc Chí - - se:Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Trương Dinh Nhơn - << se:Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, DHQGTp HCM ngày .04 thang .01 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi của Hội đồng cham bảo vệ luận vanthạc sĩ)1 PGS.TS Hồ Phạm Huy Ánh

2 TS Hoàng Minh

Trí -3 TS Nguyễn Lê Dũng

4 TS Nguyễn Quốc Chí

-5 TS Trương Dinh Nhơn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyền ngành sau khi luận van đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA ĐIỆN —- ĐIỆN TỬ

PGS.TS Hồ Phạm Huy Anh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đỗ Thanh Thái ¿-¿ 2 2 2 2c+c+£+ezxzs2 MSHV: 7140399

Ngày, tháng, năm sinh: I6-01-1992 - << << << sssssxxsss Nơi sinh : Bình Dương

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điều Khién & Tự Động Hóa Mã số :

I TEN DE TÀI: Nghiên cứu & thiết kế hệ thống SCADA trên nền web thu thập dữ

liệu và quản lý điện năng HH SH nen

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng chương trình SCADA thu thập dữ liệu từcác trạm điện thông qua giao tiếp với các đồng hồ đo Phần mém thực thi nhằm kiểmnghiệm kiến trúc đã đưa ra gồm các đặc tính:

Giám sát, thu thập dữ liệu; Lưu trữ dữ liệu dùng cho quan lý và phân tích (historyand database);

Sử dụng ngay trên các nền tảng của những trình duyệt thông dụng như FireFox,

Chrome, Internet Explorer.

Il NGÀY GIAO NHIỆM VU : 06-07-20 15 - - <SsSsS SE SE 1111111111111 ckeoII NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04-12-2015 - 5-5 ccc+c+esEsrsrereesIV.CÁN BỘ HƯỚNG DAN (Ghi rõ học hàm, học vi, họ, tên): TS Trương Dinh Chau.

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, học viên đã nhận được sự hướng dẫn và

tư vấn tận tình của Quý Thầy Cô khoa Điện - Điện tử, đặc biệt là Quý ThầyCô trong bộ môn Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa, sự giúp đỡ của bạnbè cũng như sự động viên, chia sẻ và khích lệ tinh thần từ phía gia đình

Học viên xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS Trương Đình

Châu, Thầy đã dành thời gian quý báu để hướng dẫn, tạo mọi điều kiện

thuận lợi cũng như định hướng cho học viên trong suốt quá trình thực hiệnluận văn

Học viên xin cảm ơn ba mẹ và gia đình đã động viên, chia sẻ, khích lệ và tạođiều kiện giúp học viên vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá trình học tậpvà thực hiện luận văn

TP Hồ Chí Minh, 10-12-2015

Học viên Đỗ Thanh Thái

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn hướng đến việc tìm hiểu cấu trúc và thực thi của một hệ thống SCADAdựa trên nên Web-Based Công nghệ Web-Based cho phép hệ thống có thể thu

thập và giám sát dựa trên các trình duyệt web thông dụng sẵn có trên các

client, chính từ đặc điểm đó mà hệ thống có những đặc điểm nổi trội: tiện lợi vàlinh hoạt trong sử dụng, tương thích với hầu hết các client hiện nay, giá thànhtrong triển khai thấp Vì là một hướng tiếp cận mới nên hệ thống cần có nên

tang bảo mật tốt hơn để có thể không bị đánh cắp dữ liệu cũng như một cơ chế

quản lý thông tin hiệu quả và đáp ứng dữ liệu, thông tin hiệu quả hơn (thờigian, độ chính xác ) Cũng xuất phat từ những vấn đề ton đọng mà đề tài tiếnhành nghiên cứu và phát triển, hướng đến thực thi hệ thống

LOI CAM KETHọc viên xin cam kết nội dung được trình bay trong luận văn là kiến thức dohọc viên tham khảo từ các tài liệu liên quan bao gồm website và các công trìnhnghiên cứu di trước, sau đó học viên tự biên soạn lại theo những gi đã tìm hiểuvà nghiên cứu.

Học viên cam kết và chịu trách nhiệm về những điều đã cam kết trước Bộ Môn,Khoa và Nhà Trường

Học viên Đỗ Thanh Thái

DiGM MOI 8aiWir.r i07 ) 10

Chương 1 KIẾN TRÚC WEB-BASED SCADA DE TÀI THỰC HIỆN 12

1.1 Kiến trúc của một hệ thống SCADA trên nền tang Web 12

1.2 Kiến trúc đề XUAt ue eescescssssssssesssecssseessssesssecsssecssssssssecsssessnsessuecsssessncessuecssseessnecssseessss 161.3) Cac Kim v24 7a 16

Chương 2 PHAN TICH, DANH GIA CÁC THÀNH PHAN TRONG HE THỐNGSCADA DA THU C THI scssssssssssssssssscssssssussesscsscsscsssnsensessavsavsavsseesssssessavsavenvensansansacsaess 202.1 Tổng quan về mạng lưới điện -c-cececcxevertseerserkrtstrreerrrked 202.2 Nên tảng C-Sharp trong xây dựng hệ thống SCADA 22

2.3 QUAN LY CO SO’ AU 1077 ^ 23

ZA Device CONINCVÏOHN so HH1 0H11 11111111111 tr 272.4.1 Đồng hồ Power Meter ION 7550 ccccceekierririiirriee 282.4.2 Đồng hồ Power Meter 710 v cssssssscssssssssesssescsssessssessssessseessssessseessseessssessseesssess 292.4.3 Power logic EGX3 00 wn ee eeesteseesecseseeseeseseesesnsseeeeteseeseeneasenssteseeneaeeseeseeseaseneanenees 302.5 Các thành phan chính trong hệ thống SCADA đã xây dựng 41

Jun ố 43 sss 41

g1 0 41Graphical Display « «sét HH HH HH HH HH HH ghi 41Authentication — AuthoriZtÏOT «ch grưệu 41

Database trong thành phần hệ thống SCADA -cc-csccseseccseee 43

2.6 Web MOdule «tk HH HH HH HH1 rà niệg 43

Chương 3 TONG KẾT VÀ ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN -.s-cccsseccssccsss 44

3.1 Thu thập dữ liệu lớn -scccsc+ceersrkekrtrsrterrrtstrrrsrkrrrrrrrrrrrrrrrrrd 44SN ôi 503.3 Phân tích dữ liỆu c5 ccEckEtrHHH 11x gtrgrrreg 52

/€28s0i 0s 63Han ChE 1= ,ÔỎ 63;0i1s0siimsai i07 5 63

DANH MỤC HINH VEHình1.1 Kiến trúc của hệ thống SCADA trên nền Web -csc-cse+ 13Hinh1.2 SCADA thu thập dữ liệu từ đồng hồ đo và lưu trữ lên SQL server 1 3

Hình1.3 Web Browser truy cập và tương tác với SQL server thông qua SCADAWED 12a, ẻ 14

Hình 1.4 Kiến trúc đề xuất -c-cccccrikErkittrrttrirttriiriiiriiirrirkrrrriee 16Hình1.5 Hệ thống SCADA trong đó các liên kết và quan sát dữ liệu được layCIUC TIED CUP ấn 107 17Hinh1.6 Hệ thống SCADA với các phần mềm ứng dụng truyền thống 18Hinh 2.1 Mô hình kết nối vật lý của hệ thống điện . -cccsscccsecceee 21

Hình 2.2 Cơ sở dữ liệu các Quận/HuyỆn -c-cccceceereerserrerserrrrsrrsrrsrrsrre 25

Hình2.3 Bản đồ hiển thị các Quận trong cơ sở dữ liệu Quận/Huyện 25Hinh 2.4 Cau trúc dữ liệu trong một Database -c-seccssersereserssrrrsrrrseee 26Hinh2.5 Bảng thông tin các thanh ghi của thiết bị bên dưới 28Hinh2.6 So đồ mô hình giao tiếp trong hệ thống phòng thí nghiệm 31Hình 2.7 Truyền thông Modbus -cccccsccceserxseerkettrtertrsrrtttrkrrrrkrrrrrree 32

Hình 2.8 Modbus COMMUNICATION StACĂK «ca 37

Hình 2.9 Minh họa hệ thống có sử dụng chuẩn truyền thông Modbus TCP/IP 38Hình 2.10 Kiến trúc mạng sử dung Modbus TCP/IP -e-c sscccseescssee 38Hình 2.II Cau trúc một Frame Modbus TCP/IP Packet - -ssse 39Hình 2.12 Dây đôi song song và dây xoắn trong truyền thông - 40Hình 2.13 Giải thuật so sánh thông tin và cấp quyền truy cập 42Hình 3.I Thông tin của từng đồng hồ (database) -c-.ecceeereesreee 45Hình 3.2 Chương trình đọc dữ liệu từ thiết bị c-ccsccsereeresrrrrrrree 46

Hình 3.3 Chương trình tạo cơ sở dữ lIỆU -cs+csccsxesxestesttsttssrersrrerrrxee 46

Hinh3.4 — Chương trình log data lên SQL SerV€T cceceereerierrerierierrerrrerrrree 47

Hinh 3.5 Database của các đồng hồ trong hệ thống -. c -cc-ceeee 47Hình 3.6 Các cấp quản lý trong hệ thống -ccccseereeerirrkrirrrrirrierrree 49Hinh 3.7 Hệ thống tự động chuyển dữ liệu nhằm hỗ trợ thu phí khách hàng 50Hình 3.8 Chương trình lấy dữ liệu từ SQL Server va log dữ liệu vào Excel 51Hình 3.9 Xảy ra ngắt kết nối -cc cccceeerccrreerrrrrrrerrrtrrkrrrrtrrrrrrrrrrrrrrrrerree 52

Hình 3.10 Draw chart after the end of day/month/V€AT ««eccecseeevee 53Hình 3.11 Điện nang tiêu thu trong ngày (triệu KW) cceeiiiriee 54Hình 3.12 Điện năng tiêu thu các ngày trong thang của một quận 56Hình 3.13 Điện năng tiêu thụ các tháng trong năm của một quận 57Hình 3.14 Điện năng tiêu thu trong tháng của các quận khác nhau (triệu KWh) 58Hình 3.15 Điện năng tiêu thụ trong năm của các quận khác nhau (triệu KWh) 59

Hình 3.16 Cơ sở dữ liệu các Quận/Huyện về vị tri địa LY . . -s.e 60Hình 3.17 Thông tin của các hộ dân trong một tỔ c-ccceeccceeereesrseee 61Hình 3.18 Bản đồ hiển thị các Quận trong cơ sở dữ liệu Quận/Huyện 61Hình 3.19 Chương trình đọc dữ liệu từ cơ sở dữ liệu các Quận/Huyện về vị trí địa

II —— ÔỎ 62

Hình 320 Chương trình đánh dấu tọa độ các điểm trong cơ sở dữ liệu lên bản đồ

oh Fe Cre 3)1-8)/ 0n 62

DANH MỤC BANG BIEU

Bảng 3.1Bảng 3.2Bảng 3.3Bảng 3.4Bảng 3.5

Điện năng tiêu thu trong ngày của các Quận (triệu KWRh) 53Điện nang tiêu thụ các ngày trong tháng 12-2015 55Điện năng tiêu thụ các tháng trong năm của một quận 57Điện năng tiêu thụ trong tháng của các quận khác nhau (triệu KWh)58Điện năng tiêu thu trong năm của các quận khác nhau (triệu KWh) 59

MỞ ĐẦU

Ngày nay, thông tin về các hệ thống điện dùng trong quản lý ngành điệnnăng chủ yếu trong các mạng lưới công nghiệp lớn, phân bổ xuống nhỏ hơn làcác bộ phận trong một nhà máy Trong tương lai, việc quản lý hệ thống điệnđược áp dụng xuống các trạm dân dụng và cả hộ gia đình Đề tài tập trungnghiên cứu vào mảng thu thập và quản lý điện năng với mong muốn tạo nềntảng cho các mạng lưới điện trên phạm vi của một vùng trong một quốc gia có

được đầy đủ thông tin quản lý cung cấp cho ngành điện lực nhằm các mục tiêu

với lợi ích mang lại như: tối ưu hóa việc điều tiết điện năng, cung cấp số liệu

nhằm phục vụ cho việc dự báo mức độ sử dụng điện năng trong tương lai nhằm

có các phương hướng cải thiện và nâng cấp mạng lưới điện phù hợp, ngoài racòn phục vụ công tác thu phí sử dụng điện năng một cách tự động khi kết hợpcác số liệu điện năng sử dụng với các hệ thống thanh toán trực tuyến hiện đại.Tính cấp thiết của đề tài

Tập trung vào các thành phố lớn có thể nói rằng việc quản lý dữ liệu điệnnăng là vô cùng quan trọng trong hiện tại và sau này, vấn đề dễ thấy trong thực

tế hiện nay là mạng lưới truyền tải điện năng đến người dân là một mạng lướikhông có hệ thống, dây điện được bố trí trên không trung và chiếm dụng khônggian, cũng như sự quá tải trong cơ sở hạ tầng (cột điện, dây điện quá nhiều và

không khác một mạng nhện).

Hậu quả kéo theo: công tác bảo trì, sửa chữa và nâng cấp rất khó khăn;nguy hiểm tiềm tàng cho người dân sống gân/dưới các hệ thống điện; mấtthẩm mỹ; từ đó kéo theo sự lãng phí trong công tác quản lý và giá thành điệnkhông thể hạ xuống mà ngày một tăng; chất lượng điện sử dụng không thể tốthơn vì số lượng người dùng ngày một nhiều mà cơ sở hạ tang có kha năngkhông thể đáp ứng kịp

Biện pháp lâu dài: đổi mới hệ thống điện, đưa hệ thống điện thành mộthệ cơ sở hạ tâng có khoa học, một hệ thống có quy trình quản lý có khoa học

Phần nội dung nghiên cứu trong đề tài tập trung vào phần quy trìnhquản lý, cụ thể hơn là quản lý dữ liệu điện năng.

Mục tiêu luận văn

Thông qua đồng hồ đo tiến hành thu thập dữ liệu và upload dữ liệu nàylên SQL server, phục vu công tác thu thập và lưu trữ dữ liệu

Nghiên cứu và đưa ra kiến trúc xử lý dữ liệu thông qua các sự kiện trên

hệ thống SCADA, xây dựng nền tang Website quản lý điện năng, hỗ trợ người

dùng đăng nhập và lấy các thông tin khi người dùng cần;

Áp dụng công cụ ASP.NET kết hợp với trình thiết kế giao diện Webhướng đến người dùng;

Xây dựng một phần mềm hiện thực hóa các ứng dụng SCADA, phần giaotiếp với người dùng trên nền tảng Website;

Thực thi chương trình đã viết nhằm kiểm nghiệm cấu trúc dữ liệu thôngqua các sự kiện đã đề xuất

Nhiệm vụ luận văn

Xây dựng chương trình SCADA thu thập dữ liệu từ các trạm điện thông

qua giao tiếp với các đồng hồ đo.Phần mềm thực thi nhằm kiểm nghiệm kiến trúc đã đưa ra gồm các đặc tính:

Giám sát, thu thập dữ liệu; giao tiếp với người sử dụng thông qua giao

Sử dụng ngay trên các nên tảng của những trình duyệt thông dụng như

FireFox, Chrome, Internet Explorer

Thực nghiệm chương trình trên những hệ thống đã có của phòng thínghiệm để kiểm nghiệm kết quả và kết luận về tiêm năng ứng dụng của hệthong;

Nghiên cứu kiến trúc trên các mạng kết nối khác nhau như: mạng nội bộ,internet thông thường

Điểm mới của đề tài

(1) Áp dụng công nghệ Web thay cho công nghệ truyền thống;(2) Phù hợp với xu hướng phát triển hiện nay của công nghệ - công nghệ

internet of things;

(3) Mở rộng kha năng phat triển va nâng cấp hệ thống.Hệ thống SCADA được xây dựng độc lập với những phần mềm ứng dụng

như Vijeo Citect (Schneider Electric), WinCC (Siemens), RSView (Rockwell

Automation), khi thực hiện giao tiếp với server, client không can truy cập vàohệ thống thông qua các phần mềm kể trên mà có thể thực hiện trực tiếp thôngqua nền tảng Website

Chính từ nên tảng Website, hệ thống sẽ linh hoạt trong việc thiết kếnhững hệ thống SCADA khác nhau, từng hệ thống sẽ có những thành phần cấutrúc, chức năng và nhiệm vụ khác nhau nên sẽ phù hợp với từng yêu cầu khác

nhau của người dùng Người thiết kế có thể dễ dàng trong việc thiết kế ra từng

module khác nhau với những tính năng cơ bản nhất, từ đó kết hợp lại theo từngyêu câu riêng biệt của từng khách hàng

Lợi ích khi áp dụng cấu trúc hệ thống đã đề xuất:Thời gian triển khai hệ thống trên nền tảng phần cứng đã có được rút

ngắn so với các hệ thống theo kiến trúc phần mềm cũ Đối với các hệ thống

SCADA dựa trên nền tang sử dụng phần mềm như Vijeo Citect, WinCC canmột khoản chi phí cho việc mua bản quyền, thời gian triển khai hệ thống sẽ dàihơn so với việc áp dụng hệ thống mới chạy trên nền tảng Website mà hau hết

các hệ thống máy tính đều có hỗ trợ, các trình duyệt web hầu hết ở dạng không

mất phí bản quyền

Áp dụng nền tảng Website cho hệ thống sẽ linh hoạt hơn trong việc lựachon phần cứng và nền tảng các hệ điều hành Một số phan mềm SCADA đã vàđang sử dụng phụ thuộc rất nhiều vào hệ điều hành Window, trong khi nềntảng Website có thể chạy trên các hệ điều hành khác nhau và hầu như rất ít phụthuộc vào các hệ điều hành

Công nghệ WebSocket hỗ trợ mạnh trong việc trao đổi dữ liệu, các luồngtrao đổi thông tin diễn ra nhanh hơn so với những phần mềm đã và đang sử

dụng công nghệ http, từ đó hiệu suất cũng được tăng theo

Các phần mềm SCADA truyền thống không chỉ yêu cầu sự tương thíchnên tảng hệ điều hành mà còn tiêu tốn một lượng lớn tài nguyên phần cứng choviệc cài đặt, thực thi hệ thống khi vận hành Ngược lại, các trình duyệt yêu cầumột lượng nhỏ dung lượng bộ nhớ cho việc cài đặt, quá trình thực thi cũng ittiêu hao tài nguyên phần cứng hơn Khi một phần nhỏ trong toàn hệ thống giảmđược lượng tiêu hao tài nguyên sẽ giúp cho toàn hệ thống giảm đi rất nhiều cácyêu cầu tài nguyên phần cứng, đặc biệt sẽ thấy rõ khi quy mô hệ thống lớn.Ngoài việc giảm được yêu cầu về tài nguyên phần cứng, chi phí; khi áp dụng hệthống mới còn giúp cho việc nâng cấp, bảo trì hệ thống mang tính linh động vàhiệu quả hơn

Chuong1 KIẾN TRÚC WEB-BASED SCADA DE TÀI THỰC HIỆN

1.1 Kiến trúc của một hệ thống SCADA trên nền tang WebCông Nghệ Web - Xu Hướng Phát Triển Mới

Ngày nay, tất cả mọi hoạt động của con người khi kết nối với Internethầu hết đều thông qua các trình duyệt Web, gọi chung là khung nhìn, có thể liệtkê một số hoạt động:

Giải trí: xem các video, xem tivi trực tuyến, mạng xã hội Công việc, học tập: hội thảo trực tuyến nơi mọi người có thể chia sẻthông tin trên màn hình của mình với nhau, login và xem thông tin, upload &download dữ liệu

Quảng cáo: được nhúng hầu hết vào các giải trí.Và rất nhiều các hoạt động khác, điều đáng quan tâm trong khi đưa ravẫn đề này đó là việc tích hợp thông tin đến người dùng thông qua các trìnhduyệt Web là khá cần thiết và mang một triển vọng trong khoa học kỹ thuật rất

lớn.

Chính những lý do trên mà một hệ thống SCADA trên nền tảng Web sẽđáp ứng được các yêu cầu phát triển trong hiện tại và sau này, các hệ thốngtrong tương lai với các yêu cầu xử lý dữ liệu lớn (Big Data), phân tích dữ liệu(Data Analysis) cũng là một lý do để một hệ thống trên nền tảng Web cần đượcnghiên cứu và phát triển hơn nữa, đó cũng chính là lý do đề tài chọn và tiến

hành nghiên cứu.

Hệ thống SCADA xây dựng trên nền Web được minh họa qua Hình 1.1

— > TrendingWeb Browser

—> TrendingWeb Browser SCADA Main

SCADA Thu thập dữ liệu <4 > SQLserver

Ạ

Ạ r9 A ẠVv Vv Vv Vv Vv

Thiét bi - Dong Thiét bi - Dong Thiét bi - Donghồ do hồ do hồ do

Hình 1.2 SCADA thu thập dữ liệu từ đồng hồ đo và lưu trữ lên SQL serverTác vụ giao tiếp với người dùng thông qua các dịch vụ Web đều đượcquản lý bởi SCADA Web Server xây dựng trên nền tảng C-Sharp thể hiện thôngqua Hình 1.3

` Ạ ` AVv Vv Vv Vv

Web Browser Web Browser Web Browser

Hình 1.3 Web Browser truy cập va tương tác với SQL server thông qua

SCADA Web Server

Kiến trúc mới với đặc điểm này khiến server tránh phải xử lý nhiều tácvụ đồng thời: giao tiếp với thiết bị điều khiển, xử lý tín hiệu, cảnh báo, trả lờicác yêu cầu của client

Đồng thời việc sử dụng kiến trúc này cho phép tách biệt giữa phần thiếtbị với dữ liệu cũng như với các Web Server, SCADA Server Góp phần modulehóa, tạo tính linh động cũng như khả năng mở rộng hệ thống

Dé tài sử dụng nên tang ASP.NET Web Service Application để thực hiệnviệc xây dựng SCADA Web Server Với kiến trúc đã đề ra, server sẽ được chiathành nhiều module, trong đó từng module sẽ quản lý một tác vụ riêng biệt củahệ thống

Các module trong kiến trúc gồm 3 module chính:

SCADA Module;Web Communication Module;Database Module.

Chi tiết từng module:SCADA Module thực hiện chức năng chính yếu của một hệ thống SCADA gồmgiám sát, thu thập dữ liệu của toàn hệ thống SCADA:

Thực hiện kết nối thiết bị;

Giám sát giá trị các biến và các thông số trong hệ thống (các Tag trong hệthống);

Cảnh báo khi có các sự kiện; tiến hành lưu trữ thông tin về lịch sử dữ

liệu;

Cung cấp giao diện người dùng.Web Communication Module (module giao tiếp trên nên Web): đóng vai tròlà cầu nối giữa người dùng và hệ thống SCADA, thông qua trình duyệt Web trênClient người dùng sẽ tương tác với hệ thống SCADA (SCADA Web server):

Thiết lập các quyên truy cập;Thông qua các yêu cầu và mong muốn từ người dùng, thiết lập các trangWeb tương ứng;

Thông qua WebSocket, quản lý các kết nối và trao đổi dữ liệu giữa Clientva Server

Database Module (Module cơ sở dữ liệu): truy suất và quan ly cơ sở dữ liệuvề các cảnh báo sự kiện, sự thay đổi các biến và thông số trong hệ thống, lịch sửkết nối và thao tác dữ liệu của người dùng trong hệ thống SCADA

1.2 Kiến trúc đề xuất

Web Communication SCADA MAIN PROGRAM

— MainWeb Browser Authentication - Authorization

H—> TrendingWeb Browser ¡ SCADA Main Tan L-

' Program play

† F—>† Report

Web Browser \ > Alarm

ModbusTCP/IP

qua các file lưu trữ trong cơ sở dữ liệu cho phép thao tác thời gian ngắn hơn vàkhông làm trễ tác vụ của main program

Trong các trường hợp cần truy xuất thông tin liên quan đến dữ liệu tronglược sử với dung lượng lớn có thể truy xuất trực tiếp và không làm ảnh hưởngđến hiệu năng hoạt động của main program

1.3 Các kiến trúc khácHệ thống 1: Hệ thống SCADA trong đó các liên kết và quan sát dữ liệu được lấytrực tiếp từ thiết bị

Hình 1.5 Hệ thống SCADA trong đó các liên kết và quan sát dữ liệu được lấy

trực tiếp từ thiết bịĐặc điểm: dữ liệu được lấy trực tiếp từ thiết bị, thông qua truyền thông và cáctrạm hiển thị đến người vận hành, người quan sát

So với hệ thống đã đề xuất: hệ thống này không tồn tại bộ lưu trữ dữ liệudùng cho mục đích sau này như: phân tích số liệu theo thời gian, tiến hành sosánh và quản lý cũng như lược sử an ninh trong các trường hợp khẩn cấp Với hệ thống này, các tính năng về lịch sử dữ liệu, cũng như các cảnh báo hệthống theo thời gian không được lưu trữ khiến hệ thống chỉ có thể quan sáttheo thời gian thực, hệ thống không thể đáp ứng xu hướng của một hệ thốngngày một mở rộng và phát triển Đặc biệt là với lượng dữ liệu ngày một tăng

như hiện nay cũng như việc khai thác thông tin chứa đựng trong dữ liệu ngày

một quan trọng như hiện nay cần có một hệ thống có khả năng lưu trữ, phântích và tính toán

Hệ thống 2: Hệ thống SCADA với các phần mềm ứng dụng truyền thống như

Vijeo Citect (Schneider Electric), WinCC (Siemens), RSView (RockwellAutomation)

RJ45

RS485

Hình 1.6 Hệ thống SCADA với các phần mềm ứng dung truyền thốngĐặc điểm: dữ liệu được lấy trực tiếp từ thiết bị, thông qua truyền thông kếthợp với các phần mềm ứng dụng từ các hãng sản xuất cung cấp dữ liệu đến cáctrạm hiển thị, người vận hành và người quan sát

So với hệ thống đã đề xuất: hệ thống này không tồn tại bộ lưu trữ dữ liệuchuyên biệt; cũng như khả năng linh động, tính mềm dẻo trong thiết kế và thực

thi, sử dụng không cao dẫn đến khả năng đáp ứng các mục tiêu trong thực tế

phụ thuộc rất nhiều vào nhà sản xuất và các công ty cung cấp phần mềm cho hệthống SCADA

Từ các lý do đó mà một hệ thống trên nền tảng Web được nghiên cứu và

đi vào phân tích nhằm đưa ra các quan điểm đánh giá tính khả thi cũng như

tiêm năng ứng dụng trong thời gian tới của một hệ thống SCADA, từ đó đề tài có

một hướng di rõ ràng trong việc lựa chọn hệ thống đã đề xuất - hệ thống thuthập dữ liệu và quản lý điện năng trên nền tảng Web.

Với hệ thống thu thập dữ liệu và quản lý điện năng trên nền tảng Webcho phép chương trình thực thi SCADA đọc dữ liệu trực tiếp từ thiết bị là cácđồng hồ đo, các dữ liệu này được đọc và lưu trữ vào bộ công cụ SQL server với

các database đặt tên theo cấu trúc nhằm thực hiện quản lý theo từng cấp (cấp

Tổ/Khu Phố đến cấp Quận/Huyện) Các dữ liệu sau khi lưu trữ sẽ giúp các côngcụ khác như công cụ phân tích, công cụ tính toán tiến hành thực thi nhiệm vụcủa mình và chuyển dữ liệu ngược lại cho hệ thống lưu trữ thông tin Tất cả cácthông tin này nhằm mục tiêu quản lý hệ thống tốt hơn, xây dựng các chương

trình dự báo nhằm cải thiện hoặc nâng cấp hệ thống Ngoài ra, khi chất lượng

hệ thống tốt hơn, khả năng mở rộng, tính linh hoạt cao sẽ giúp hệ thống nângcao hiệu suất, hạ giá thành điện năng cung cấp đến người tiêu dùng điện

Chuong 2 | PHAN TÍCH, ĐÁNH GIÁ CÁC THÀNH PHAN TRONGHỆ THỐNG SCADA ĐÃ THỰC THỊ

Hệ thống đã thực thi gôm 2 phần chính yếu: phần cứng (hardware) vàphần mềm (software)

Đại diện cho phần cứng là các thiết bị, để mô tả chi tiết nhằm làm rõ hệthống đề tài sẽ tập trung phân tích mạng lưới điện năng

2.1 Tổng quan về mạng lưới điện

Trong một cụm dân cư, các số liệu đo đạc về thông số điện áp được quảnlý bởi nhà điều hành quản lý điện năng, từng hộ dân sẽ được trang bị một đồnghồ đo cho phép trả về giá trị các thông số Từng cụm dân cư sẽ cung cấp các sốliệu điện áp, từng khu vực Quận/Huyện sẽ cung cấp và nhân lên trên phạm viáp dụng của một Tỉnh /Thành sẽ giúp công tác quản lý điện năng được hiệu quảhơn, mang lại một bộ dữ liệu cung cấp thông tin phục vụ cho việc nâng cao hiệusuất và khả năng phục vụ đến người tiêu dùng điện tốt nhất Ngoài ra, hướngquản lý điện năng sẽ là một hướng đi mang lại lợi ích cho cả người tiêu dùng vànhà cung cấp, khi mọi quy trình kỹ thuật trong cung cấp điện năng đến ngườitiêu dùng được tối ưu hóa sẽ kéo theo giá thành sản phẩm điện năng giảm và lànên tảng để tiếp tục củng cố và nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản xuất,tạo thành một vòng tuần hoản trong chu trình cung cấp - tiêu dùng điện năng

truyện tải220V

truyện tải220VDuong day cà

truyện tải220V

Số lượng đồng hồ đo quản lý tại mỗi trạm lên đến một triệu chiếc

Hình 2.I Mô hình kết nối vật lý của hệ thống điệnQuy mô mạng lưới điện năng là rất lớn, theo thiết kế số lượng tối đađồng hồ cho một trạm là một triệu chiếc, con số một triệu được chọn dựa trênsố dân của một Quận/Huyện trong tình hình thực tế là con số dao động trongthời gian mười năm tới thì hệ thống có thể đáp ứng được Các trạm được quảnlý theo từng Quận/Huyện như đã đề cập

Phần mềm là phần đảm nhiệm vai trò thực thi các phương thức giao tiếpxuống phần cứng, lấy dữ liệu đưa vào các bộ quản lý dữ liệu chuyên biệt vàphần trọng tâm là hiện thực hóa chương trình SCADA

Tương tác giữa phần cứng và phần mềm

Dữ liệu được cung cấp từ các đồng hồ đo cân có bộ lưu trữ thích hợpđảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu cũng như việc khai thác thông tin có được từ dữliệu trong hiện tại và tương lai sau này Microsoft cung cấp công cụ cho cả việckhai thác dữ liệu từ thiết bị và lưu trữ dữ liệu, đối với việc đọc dữ liệu ngườidùng có thể sử dụng công cụ CSharp trong bộ sản phẩm Microsoft VisualStudio, đối với việc lưu trữ dữ liệu người dùng có thể sử dụng bộ công cụ

Microsoft SQL Server.

Dé tài chọn C-Sharp cho việc phát triển hệ thống SCADA, SQL Server cho

việc lưu trữ dữ liệu

2.2 _ Nên tang C-Sharp trong xây dựng hệ thống SCADA

Một số tính năng của Microsoft NET cho phép những nha phát triển sử

dụng như sau:

- - Một mô hình lập trình cho phép nhà phát triển xây dựng các ứngdụng dịch vụ web và ứng dụng client với Extensible Markup

Language (XML)- Tap hợp dich vụ XML Web, như Microsoft NET My Services cho phép

nhà phát triển đơn giản và tích hợp người dùng kinh nghiệm;- Cung cấp các server phục vụ bao gồm: SQL Server, BizTalk Server tat

cả điều tích hợp, hoạt động và quản lý các dịch vụ XML Web và các

ứng dụng;- - Nhiều công cụ hỗ trợ như Visual Studio NET, để phát triển các dich

vụ Web XML, ứng dụng trên nền Windows hay nền Web một cách dễ

dàng và hiệu quả

NET Framework

.NET Framework cua Microsoft là một nền tang lập trình tập hợp các thư

viện lập trình.

Framework có 2 thành phần chính là: Common Language Runtime và

NET Framework class library

Common Language Runtime (CLR)CLR là thành phần kết nối giữa các phần khác trong NET Framework vớihệ điều hành

NET Framework class library

NET Framework class library cung cấp thư viện lập trình cho các ứngdụng, cơ sở dữ liệu, dịch vụ Web

2.3 Quản lý cơ sở dữ liệuMicrosoft SQL Server

Microsoft SQL Server là bộ công cụ cung cấp đến người dùng khả năngquản lý dữ liệu thuộc Hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ - RDBMS(Relational Database Management System), gồm những đặc tinh:

Kha năng mở rộng (Scalability): trong thé giới co sở dữ liệu, khả năngmở rộng liên quan đến kích thước lớn nhất mà bộ quản lý có thể thực hiện,ngoài ra yếu tố hiệu suất trong quản lý khi có sự thay đổi cấu trúc quản lý nhưthêm dữ liệu, thay đổi cấu trúc dữ liệu, truy vấn dữ liệu cần phải được đảm bảo

khi các yếu tố này biến động và tác động lẫn nhau

Bảo toàn dữ liệu (Data protection): bảo toàn dữ liệu là đặc tính nền tangtrong các hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu, hệ thống SQL Server được xây dựngtrên nên tảng quản lý dữ liệu kết hợp với bộ công cụ tự động đưa dữ liệu vàodự phòng khi có sự cố mất thông tin xảy ra, ngoài ra dữ liệu lưu trữ còn đượccấu trúc theo dạng có thể phục hồi được

Bảo mật (Security): ngày nay khi moi thông tin liên quan đến bảo mậtcàng cần được xem xét trước khi thực thi một hệ thống thông tin, vấn đề bảomật dữ liệu trước những tấn công từ bên ngoài hệ thống là vấn đề nền tảng Dữliệu trong hệ thống sẽ được quản lý không chỉ một tầng phẳng mà có thể được

quản lý và kiến trúc nhằm bảo mật thông tin thành nhiều tầng tùy thuộc vàomục đích sử dụng và đặc tính thông tin quản trị.

Phân tích và khai thác dữ liệu (Data analysis and mining): dữ liệu thuthập không chỉ được dùng để giám sát, với tài nguyên dữ liệu thu thập được

dùng để phân tích và đưa ra những dự báo nhằm khai thác hiệu quả thông tin

chứa đựng trong hệ thống Hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ có đủ khảnăng trong việc phân tích cơ sở dữ liệu phức tạp, có thể nhắc đến “datawarehousing”, “online analytical processing (OLAP)”

Kiến trúc Microsoft SQL Server được chia thành 3 phan:

SQLOS thực hiện những tác vụ yêu cầu từ SQL Server bao gồm thread

scheduling, memory management, I|O management.

Relational Engine thuc hién tac vu trén cac relational database

components, cac tac vu nay lién quan dén databases, tables, queries, storedprocedures va type system

Protocol Layer: thực thi các chức năng cua SQL Server.Quản lý dữ liệu theo các Quận/Huyện

Hệ thống SCADA được xây dựng với cấu trúc lưu trữ dữ liệu theo từng

Quận/Huyện thể hiện qua hình 2.2, mỗi Quận/Huyện được chia nhỏ cấp độ

quản lý gồm các Phường/Xã, dưới cấp Phường là các Khu Phố/Tổ, dưới cấp nàylà các hộ gia đình hoặc các cơ sở kinh doanh/doanh nghiệp

Bản đồ hình 2.3 với chức năng thể hiện các điểm đánh dấu là tọa độ củacác địa điểm có các trạm quản lý điện năng, cho phép người quản lý, vận hành

dễ dàng trong công tác quản lý, giám sát, tra cứu

Đối với các trạm cấp cơ sở kinh doanh hoặc doanh nghiệp, đồng hồ đovới công suất đo lớn được sử dụng để quản lý toàn bộ điện năng vào Đối với

các hộ dân, mỗi hộ dân sẽ được trang bị một đồng hồ đo với công suất nhỏ hơn

Latitude Longitude District Country10.8551185 106 7178492 Thu Duc Viet Nam10.7252164 106 7054758 Tan Phu Viet Nam10.80295435 106.6185178 Tan Binh Viet Nam

iy 10.8010237 106.6714161 Phu Nhuan Viet Nam

10.9741605 106.4851999 Cu Chi Viet Namb# MAL MAL MULL MULL

Hình 2.2 Cơ sở dữ liệu các Quận/Huyện

Z, Tan Uyên

Ww

Hình 2.3 Bản đồ hiển thi các Quận trong cơ sở dữ liệu Quận/Huyện

Mỗi hộ dân sẽ có một table dữ liệu riêng, table này lưu trữ tất cả các

thông tin về điện năng bao gồm tất cả các chỉ số Tất cả các chỉ số tại cùng mộtthời điểm sẽ nằm trên cùng một hàng (Row), thời gian giữa hai lần lưu chỉ số

do nhà vận hành thiết lập, theo chu kỳ mỗi tháng Database sẽ được reset trên

SQL Server và lưu trữ dữ liệu của tháng vào bộ lưu trữ hệ thống (StorageSystem) Việc quản lý dữ liệu theo từng tháng sẽ giúp công tác định kỳ như thu

tiền từng hộ gia đình hay đơn vị kinh doanh, nhà máy dễ dàng Khi đó các

chương trình xử lý Scripts cho phép chuyển các dữ liệu từ dạng SQL sang cácfile Excel, một công cụ mạnh mẽ trong tính toán và kết xuất thông tin, các thôngtin này cho phép in ấn và chuyển đến từng hộ dân hoặc từ dữ liệu các thông tinnày sẽ cho phép người sử dụng điện truy cập và lấy thông tin sử dụng điện của

mình dễ dàng

2.4 Device Connection

Trong hệ thống SCADA quan lý va thu thập dữ liệu điện năng, mọi thôngtin phục vụ cho việc giám sát đều liên quan đến các thiết bị điều khiển bên dướilà các đồng hồ đo cung cấp các giá trị điện năng

Các phương thức phổ biến trong kết nối thiết bị:

Direct driver;Dynamic Data Exchange - DDE;OLE (Object Linking and Embedding) for Process Control - OPC.

Dé tai chon Modbus TCP/IP là phương thức kết nối thiết bi Thông quadatabase chứa thông tin các thanh ghi cần đọc, chương trình SCADA tiến hànhtra cứu địa chỉ thanh ghi và lấy dữ liệu tương ứng, bảng thông tin chi tiết đượcthể hiện qua hình 2.5

THANHTHAIPC.Tag - dbo.Register - SQLQuery1.sal - ( C\ Thanh Thai (56))*Label Address ModuleNumber Scaling

» |Z 40150 16 10

Ib 40151 16 10Ic 40152 16 1014 40153 16 10I5 40154 16 10lavg 40155 16 10I avg mn 40156 16 10I avg mx 40157 16 10I avg mean 40158 16 10Freq 40159 16 10Freq mn 40 160 16 10Freq mx 40161 16 10Freq mean 40162 16 10V unbal 40163 16 10

Hình2.5 Bang thông tin các thanh ghi của thiết bị bên dưới2.4.1 Đồng hồ Power Meter ION 7550

Khái quát đồng hồ ION 7550Power Meter ION 7550 được sử dụng trong công nghiệp như một thiết bịđo lường và điều khiển thông minh cung cấp các số đo về điện áp, dòng điệnhiệu dụng, công suất tác dụng, phản kháng và công suất tiêu thụ một cách chínhxác , bên cạnh đó Power Meter 7550 còn tích hợp các I|O mở rộng giúp cho quatrình điêu khiển thuận tiện và đáp ứng các nhu cầu khác nhau trong côngnghiệp Ngoài ra, khi sử dụng Power Meter 7550 người dùng có thể khai tháccác chức năng kiểm tra chất lượng điện

Power Meter ION 7550 có thể thay thế các thiết bị chuyển đổi, thiết bi dolường truyền thống và các mạch điều khiển Người dùng có thể tích hợp nhiều

Power Meter nhằm xây dựng các hệ thống quản lý năng lượng, hệ thống

SCADA, hệ thống tự động hóa, hệ thống giám sát hoặc các hệ thống tính toánkhác sử dụng nhiều chuẩn giao tiếp và giao thức công nghiệp

Trên cùng một mạng, các Power Meter có thể giao tiếp truyền thông theocác chuẩn công nghiệp khác nhau: Modbus RTU, Modbus TCP/IP, DNP3, FTP,

IEC 61850.

Phần mềm ION Setup cho phép cấu hình Power Logic 7550, tuy nhiên đểcài đặt địa chỉ IP hoặc thiết đặt cấu hình mạng ta sử dụng màn hình hiển thị củaPowerLogic 7550 với các phím chức năng Phần mém ION Setup thiết đặt cácPoint Number (nếu sử dụng chuẩn giao tiếp DNP3) hoặc địa chỉ thanh ghi

(chuẩn giao tiếp Modbus) Mỗi Point Number hoặc một thanh ghi là địa chỉ ô

nhớ chứa dữ liệu cần đọc về, ngoài ra với phần mềm ION Setup người dùng cóthể Scale các giá trị đọc được

2.4.2 Đồng hồ Power Meter 710Các Power Meter 710 cung cấp các tính năng nổi bật về chất lượng, độlinh hoạt kết hợp với các chức năng tính toán hiệu quả đến người sử dụng

Power Meter 710 cung cấp đến người dùng giao thức sử dụng dễ dàng, màn

hình LCD cho phép đọc chỉ số đo trong điều kiện thiếu ánh sáng và góc nghiêng.Sự thay thế lý tưởng cho các đồng hồ đo analog, Power Meter 710 có thể sử

dụng độc lập trong các Panel điều khiển, Switchboards, thiết bị đóng cắt, máy

phát điện, động cơ, trung tâm kiểm soát và hệ thống UPS

Về giao thức truyền thông, các Power Meter sử dụng chuẩn giao tiếp làModbus RTU, một chuẩn giao tiếp rất phổ biến trong công nghiệp, đơn giản và

dễ dàng thiết lập cấu hình cũng như giao tiếp

Power Meter 710 cung cấp các thanh ghi với địa chỉ truy cập được qui

định sẵn, tra bảng hướng dẫn sử dụng người dùng có thể biết chính xác địa chỉô nhớ chứa dữ liệu.

2.4.3 Power logic EGX300

Là sản phẩm tích hợp Gateway - Server, thiết bị cho phép Web Browservà mạng lưới Ethernet truy nhập lấy dữ liệu và hiển thị trên nền Web các thôngtin dữ liệu thực và các đường biểu đồ thể hiện sự thay đổi liên tục các giá trịthực đo đạc được theo thời gian Số lượng thiết bị lien kết lên đến 64 thiết bị,trong đó bao gồm cả những gateway khác Khi kết nối các Power Meter thôngqua EGX300 cho phép các thiết bị giao tiếp ở lớp A EGX300 là một thiết bịEthernet-Based cung cấp một giao diện kết nối trong suốt giữa mạng Ethernet-Based và các thiết bị Các thiết bị bao gồm Meter, Monitors, Relays bảo vệ, PLCs,Trip Units, Motor Controls và các thiết bị khác sử dụng chuẩn giao tiếp Modbus,

Jbus, hoặc Power Logic protocol.

Dé tài tiến hành thu thập dữ liệu trên các thiết bi của phòng thí nghiệm(Power Logic 7550, Power Meter 710, EGX300) thể hiện qua Hình 2.6, do sốlượng đồng hồ trong thực tế rất lớn nên đề tài kết hợp các thiết bị trong phòngthí nghiệm với chương trình mô phỏng Modbus Simulation

Kiểu kết nối truyền thôngModbus: Modbus được định nghĩa là một phương thức giao tiếp trong truyềntải thông tin nằm tại lớp ứng dụng cho cả hai phía Client/Server giữa các thiếtbị được kết nối trên các kiểu bus/network khác nhau:

TCP/IP qua Ethernet;EIA/TIA-232-E, EIA-422, EIA/TIA-485-A, fiber, radio Modbus Plus

Modbus được mô tả là quá trình giao tiếp giữa một bộ điều khiến với các thiết bịthông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng.