Báo cáo kiến tập nghề nghiệp chủ Đề tìm hiểu về hệ thống scada trong quản lí và vận hành hệ thống Điện

Sau chuyến đi kiến tập đến phòng điều độ của công ty điện lực Đà Nẵng, em đã tiếp thu được cho mình những kiến thức quý giá về cách vận hành và quản lí một hệ thống điện lớn của cả một t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

BÁO CÁO KIẾN TẬP NGHỀ NGHIỆP

CHỦ ĐỀ TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG SCADA TRONG QUẢN LÍ VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN

GIẢNG VIÊN: T.S NGUYỄN THỊ THANH QUỲNH SINH VIÊN THỰC HIỆN: TRƯƠNG CÔNG TOẠI

MÃ SINH VIÊN: 105230453

LỚP: 23TDH3

Đà Nẵng, 09/ 2024

MỞ ĐẦU

Lời đầu tiên em xin cảm ơn Ban giám hiệu trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng và cô Quỳnh, cô Trúc, thầy Kiệt, ban lãnh đạo, các cô chú của Công ty THNHH MTV Điện lực Đà Nẵng đã tận tình giúp đỡ và hỗ trợ em trong kì kiến tập vừa qua

Sau chuyến đi kiến tập đến phòng điều độ của công ty điện lực Đà Nẵng, em đã tiếp thu được cho mình những kiến thức quý giá về cách vận hành và quản lí một hệ thống điện lớn của

cả một thành phố, cách sử dụng SCADA trong quản lí và vận hành hệ thống điện của thành phố

Đà Nẵng

Trong thời đại bùng nổ về khoa học công nghệ như hiện nay, việc ứng dụng các kĩ thuật mới trong sản xuất và tự động hóa công nghiệp, quản lí các hệ thống lớn ngày càng được mở rộng Từ đó, các loại vi xử lí, các phần mềm dùng để quản lí hệ thống từ xa ra đời Nhờ đó, năng suất làm việc ngày càng được nâng cao và đỡ tiêu tốn nhiều nhân lực hơn

SCADA là một hệ thống giám và điều khiển từ xa đang được ứng dụng rất nhiều vào việc quản lí hệ thống điện ở các thành phố Hệ thống giúp phát hiện sự cố và xử lí sự cố một cách nhanh chóng và chính xác hơn Trong tương lai, có tiềm năng phát triển và tích hợp thêm các chức năng khác giúp cho công việc quản lí được thuận tiện hơn nữa

Từ các kiến thức đã nhận được sau chuyến đi kiến tập, em đã tìm hiểu thêm kiến thức từ các nguồn khác về SCADA Trong bài báo cáo này, em xin giới thiệu đến mọi người Hệ thống SCADA trong quản lí và vận hành hệ thống điện Bài báo cáo có thể còn những sai sót do thời gian tìm hiểu và kiến thức còn hạn chế, em mong nhận được sự góp ý của các thầy, cô để hoàn thiện hơn trong những bài báo cáo sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

2

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SCADA 3

1.1 Điều kiện dẫn đến sự ra đời của SCADA 3

1.2 Tổng quan về SCADA 3

1.3 Cấu trúc của một hệ SCADA 3

a Cấu trúc chung của SCADA 3

b Phần cứng và phần mềm của hệ SCADA 6

1.4 Sự phát triển qua các thế hệ của hệ thống SCADA 7

1.5 Truyền tin trong hệ SCADA 8

1.6 Những yêu cầu chung của một hệ SCADA 9

1.7 Nguyên lí làm việc của hệ thống SCADA 10

a Nguyên lí thu thập dữ liệu của hệ thống SCADA 10

b Nguyên lí cảnh báo của hệ thống SCADA 10

c Nguyên lí điều khiển của hệ thống SCADA 11

1.8 Ứng dụng của hệ thống SCADA 11

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG SCADA TRONG QUẢN LÍ VÀ ĐIỀU ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 11

2.1 Giới thiệu về Công ty TNHH MTV Điện lực Đà Nẵng và hệ thống điện của Thành phố Đà Nẵng 11

a Giới thiệu về công ty TNHH MTV Điện lực Đà Nẵng 11

b Giới thiệu về hệ thống điện của Thành phố Đà Nẵng 13

2.2 Ứng dụng của hệ thống SCADA trong quản lí và điều độ hệ thống điện Đà Nẵng 14 a Cấu trúc SCADA tại trung tâm điều khiển Công ty Điện lực Đà Nẵng 14

b Giao thức truyền thông được sử dụng trong hệ thống SCADA 15

c Cấu trúc kết nối SCADA về trung tâm điều khiển 16

d Công nghệ trạm biến áp 100kV không người trực 18

e Hệ thống tự động hóa lưới điện phân phối ( DAS) 18

f Các ưu điểm và nhược điểm khi ứng dụng SCADA vào quản lí và vận hành hệ thống 20

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SCADA 1.1 Điều kiện dẫn đến sự ra đời của SCADA

Trước đây, những người chịu trách nhiệm quản lí dây chuyền sản xuất phải giám sát quá trình thông qua công tắc, nút nhấn và điều chỉnh các tín hiệu một cách thủ công Điều này có nghĩa là người quản lí đó phải có mặt tại đó trong khi quá trình sản xuất diễn ra để điều khiển được hệ thống này một cách đảm bảo

Sau này khi nền sản xuất phát triển, các hệ thống sản xuất dần trở nên hiện đại hơn nhờ vào sự nâng cấp của một số sản phẩm giúp tự động hóa dây chuyền sản xuất Từ đó, các hệ thống điều khiển với quy mô lớn được ra đời, đặt ra những yêu cầu về quản lí các hệ thống một cách bao quát và tiêu tốn ít nhân lực hơn Do vậy, các công cụ điều khiển và quản lí từ xa ra đời Trong đó, nổi bật nhất là SCADA

1.2 Tổng quan về SCADA

SCADA ( Supervisor Control And Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu Nhằm hỗ trợ cho con người trong giám sát và điều khiển từ xa Người giám sát và vận hành hệ thống có thể nhận biết và điêu khiển hoạt động của các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông Có thể hiểu, SCADA là một chuỗi hệ thống các thiết bị phần cứng và phần mềm được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ sau:

+ Thu thập dữ liệu từ các thiết bị trong hệ thống và xử lí, thực hiện các phép tính trên các

dữ liệu thu thập được

+ Giúp người điều hành tương tác trực tiếp với các thiết bị trong hệ thống như cảm biến, van và các động cơ khác

+ Thao tác, xử lí các lệnh một cách chính xác từ xa

1.3 Cấu trúc của một hệ SCADA

a Cấu trúc chung của SCADA

Một hệ SCADA nhìn chung đều sẽ có bốn phần chính như sau:

4

Hình 1.1 Một hệ thống SCADA cơ bản

1/ Các trạm thu thập dữ liệu trung gian

Là các khối thiết bị đầu cuối từ xa RTUs ( Remote Terminal Units) và các khối điều khiển logic PLCs ( Programmable Logic Controllers) được kết nối đến hệ thống các cảm biến và các thiết bị chấp hành Các RTUs giúp người vận hành thực hiện giám sát từ xa bằng cách chuyển đổi các thông tin nhận được từ các thiết bị như cảm biến, động cơ, băng chuyền… thành dạng mà

hệ SCADA có thể hiểu được ( giống như việc biên dịch ngôn ngữ lập trình thành mã máy cho máy tính có thể đọc và hiểu được) Trong các hệ thống SCADA hiện đại ngày nay, người ta đã kết hợp sử dụng cả RTU và PLC nhằm đảm bảo về khả năng xử lí lượng lớn thông tin, dữ liệu một cách nhanh chóng

Hình 1.2 PLCs (trái) và RTU (phải) trong hệ thống điều khiển SCADA

2/ Hệ thống truyền thông ( Communication System)

Gồm các mạng truyền thông trong công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh Là phương tiện dùng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị thu thập dữ liệu trung gian (RTUs) với các đơn vị điều khiển và máy tính của trạm điều khiển trung tâm (MTU).Có thể

là dây cáp, vệ tinh, sóng 4G,…

Tùy vào môi trường và phạm vi sử dụng hệ thống, các nhà thiết kế sẽ sử dụng hệ thống truyền thông phù hợp nhất cho điểu kiện kinh tế chẳng hạn như trong các nhà máy hoặc môi trường làm việc có phạm vi nhỏ sẽ sử dụng dây cáp do độ dài không quá lớn, còn trong phạm vi diện rộng thì sẽ ưu tiên sử dụng sóng radio

3/ Trạm điều khiển giám sát trung tâm

Là trung tâm chính của mọi hệ thống SCADA, còn có thể gọi là trạm chủ Gồm một hoặc nhiều máy tính chủ, là nơi cung cấp giao diện người máy cho hệ thống SCADA, mọi dữ liệu thu thập được từ hệ thống sẽ được đưa về trạm này, các trạm điều khiển trung gian được kết nối với máy chủ thông qua hệ thống truyền thông

Hình 1.3 Trạm điều khiển và giám sát trung tâm của hệ thống SCADA

4/ Hệ thống điều khiển và giám sát ( trạm điều hành)

Là hệ thống các trạm máy tính được kết nối với trạm chủ Trong hệ thống, trạm điều khiển trung tâm đóng vai trò như chủ (Server), còn trạm điều hành đóng vai trò như là khách (Client) được phép yêu cầu, gửi dữ liệu cho trạm chủ dựa trên các yêu cầu của người vận hành Mối quan

hệ giữa Server và Client do kĩ sư lập trình thiết lập, tùy thuộc vào phần mềm được sử dụng trong

6

hệ thống SCADA Trong trạm điều hành còn có giao diện người-máy (HMI), đây là các thiết bị

sẽ hiển thị các quá trình xử lí để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống

+ Các thiết bị đầu cuối từ xa RTUs

+ Hệ thống cáp nối hoặc các modem phục vụ cho công tác truyền dữ liệu và điều khiển

- Về phần mềm:

+ Hệ điều hành trạm chủ: phần mềm điều khiển phần cứng của hệ thống máy tính chủ

+ Các ứng dụng của trạm chủ: quản lí việc truyền nhận dữ liệu giữa MTU và RTUs, cung cấp giao diện người-máy chứa màn hình hiển thị mô phỏng trực quan hệ thống để người vận hành dễ dàng quan sát

+ Các ứng dụng của trạm điều hành: là ứng dụng cho phép người dùng truy cập thông tin có sẵn trên ứng dụng của trạm chủ

+ Driver giao thức giao tiếp: sử dụng trên cả MTU và RTU để trao đổi dữ liệu giữa hai trạm này

+ Phần mềm quản lý mạng truyền thông: dung để tự giám sát việc thực thi và lỗi của mạng + Phần mềm tự động RTU: cho phép đội ngũ kĩ sư cấu hình và bảo trì các ứng dụng trên RTU hoặc PLC Bao gồm các ứng dụng tự động tại chỗ và các nhiệm vụ xử lí dữ liệu tại chỗ được thực hiện trong RTU

1.4 Sự phát triển qua các thế hệ của hệ thống SCADA

SCADA có nhiều loại hệ thống khác nhau và cũng có thể được coi là các kiến trúc SCADA Khi công nghệ phát triển, các hệ thống này cũng liên tục được cải tiến

1/ Monolithic SCADA System ( First Generation): hệ thống SCADA nguyên khối

- Hệ SCADA nguyên khối là hệ thống SCADA đầu tiên, ra đời khi các nhà sản xuất đã biết

cách sử dụng máy tính mini để tối ưu hóa quy trình và thiết bị của mình

- Hệ thống này không sử dụng dịch vụ mạng chung Do đó chúng hoạt động độc lập, có nghĩa là một máy tính không thể kết nối với các hệ thống khác Mạng WAN được thực hiện để giao tiếp với các RTU

- Việc sử dụng hệ thống SCADA dạng cũ gây hạn chế trong việc giám sát các cảm biến của hệ thống cũng như cảnh báo bất kỳ hoạt động nào nếu vượt quá mức cảnh báo được lập trình

2/ Distributed SCADA System ( Second Generation): hệ thống SCADA phân tán

- Đối với thế hệ thứ hai của hệ thống SCADA, việc chia sẻ các chức năng điều khiển được

phân phối giữa một số hệ thống được kết nối với nhau thông qua mạng cục bộ (LAN)

- Có lợi thế hơn thế hệ đầu tiên dựa vào việc thu nhỏ hệ thống và mạng LAN để chia nhỏ

quá trình thành đa hệ thống

- Giao thức giao tiếp mạng LAN do các nhà sản xuất phát triển và thường độc quyền Tuy nhiên, các giao thức mạng không được chuẩn hóa và chỉ có rất ít người khác ngoài các nhà phát triển mới có thể xác định được tính bảo mật của các cài đặt Nói cách khác, tính bảo mật của hệ thống SCADA thế hệ thứ hai không được bảo đảm

3/ Networked SCADA System ( Third Generation): hệ thống SCADA nối mạng

- Là hệ thống SCADA được kết nối mạng và có thể giao tiếp thông qua mạng diện rộng

(WAN) qua đường dữ liệu hoặc qua điện thoại

- Các hệ thống này thường sử dụng kết nối Ethernet hoặc cáp quang để truyền dữ liệu giữa các thiết bị Có sự xuất hiện của bộ điều khiển logic PLC để giám sát, điều chỉnh hệ

thống

- Rất gần với cấu trúc hệ SCADA đời thứ hai nhưng đây là cấu trúc hệ thống mở

- So với cấu trúc SCADA đời thứ nhất và đời thứ hai thì SCADA thế hệ thứ ba sử dụng

internet không giới hạn, tuy nhiên vấn đề về mặt bảo mật vẫn chưa được bảo đảm

4/ Hệ thống SCADA dựa trên Internet of Thing (IoT) ( Fourth Generation)

- Đây là thế hệ hiện đại và tiên tiến nhất của thế giới hiện nay với sự bùng nổ của xu hướng Internet vạn vật (IoT) Sự xuất hiện của thế hệ thứ tư của hệ thống SCADA đã làm giảm đáng kể chi phí cơ sở hạ tầng thông qua việc áp dụng công nghê IoT và điên toán đám

mây ( cloud computing)

- Việc tích hợp và bảo trì hệ thống trở nên rất dễ dàng so với các hệ thống của thế hệ trước đây Những thành tựu công nghệ mới nhất trong hệ thống SCADA cho phép tạo ra các

8

báo cáo trạng thái thời gian thực, sử dụng các thuật toán điều khiển phức tạp hơn và tăng

cường bảo mật thông tin nhạy cảm trong các công ty lớn

- Các hệ thống này còn có thể hoạt động với các dữ liệu trên PLC truyền thông

1.5 Truyền tin trong hệ SCADA

Trong một hệ thống SCADA thì hệ thống truyền tin đóng một vai trò vô cùng quan trọng quyết định đến tính ổn định và độ chính xác khi làm việc của hệ thống Vì thế, các nhà thiết

kế cho hệ thống SCADA phải tính toán để lựa chọn hệ thống truyền thông phù hợp nhất dựa vào: khoảng cách địa lí, giao thức truyền thông, tốc độ truyền dữ liệu,…

1/ Truyền thông giữa các trạm SCADA

Chế độ này được thực hiện với các giao thức được phát triển bởi các nhà sản xuất hệ thống SCADA hoặc thông qua các giao thức truyền đã được phổ biến hiện nay Việc này được thực hiện thông qua các đường truyền riêng, mạng Ethernet, TCP/IP hoặc modem

2/ Truyền thông theo phương pháp Polling ( Master-Slaver)

+ Master có quyền truy cập đến tất cả các Slaver theo vòng logic

+ Slaver là các trạm bị động, chỉ có thể trao đổi thông tin với trạm Master khi có yêu cầu từ Master ( không có khả năng trao đổi thông tin với các trạm khác)

Chế độ này diễn ra tại trạm trung tâm (Master ) Nó có quyền điều khiển toàn bộ hệ thống trạm và truy vấn đên các trạm ở xa ( Slaver) theo trình tự Các trạm ở xa chỉ trả lời trạm trung tâm sau khi nhận được yêu cầu từ trạm này

Điều này giúp cho sự truyền dữ liệu không xảy ra sự xung đột, giúp việc thu thập dữ liệu trở nên thuận tiện và đơn giản hơn Đặc biệt, chế độ này có khả năng truyền thông từ trạm trung tâm tới các trạm ở xa

2

3/ Truyền thông với các thiết bị trường

- Chế độ này được thực hiện bằng cách chia sẻ giao thức với các phương pháp có thể là domain công cộng hoặc hạn chế

- Chế độ này thường hoạt động khi polling hoặc bị gián đoạn, theo các chỉ định thông thường với cơ chế báo cáo loại trừ (Report by Exception)

4/ Truyền thông trên cơ sở ngắt phiên

Chế độ này được thực hiện khi RTU và PLCs giám sát các giá trị đầu vào của nó Bên cạnh

đó, khi kiểm tra các thay đổi kĩ thuật hoặc các giá trị vượt qua các giới hạn đặt trước, PLC và RTU sẽ gửi dữ liệu, thông tin về trạm trung tâm Điều này sẽ giúp tránh được việc truyền đi các dữ liệu không cần thiết, giảm bớt đi sự chiếm dụng băng thông mạng, đồng thời cho phép kiểm tra nhanh các thông tin quan trọng, cũng như việc truyền dữ liệu giữa các trạm ở xa

5/ Truyền thông với hệ thống khác

Dùng cho các trình tự phối hợp, có thể thực hiện được thông qua các module riêng, thông qua các cơ sở dữ liệu và các công nghệ khác

- Từ các phương thức truyền dữ liệu trên ta có một số thiết bị của các hãng được sử dụng để truyền dữ liệu trong hệ SCADA như sau:

+ Modem RDT của Anh Quốc

+ Các thiết bị thu phát sóng của Motorola

- Tùy vào đặc thù ngành sử dụng mà hệ thống SCADA sẽ có các RTU được thiết kế đặc thù dùng cho ngành đó Như hệ thống điện của các cấp quốc gia và cấp miền sẽ sử dụng các RTU được thiết kế đặc thù cho ngành điện ( theo tiêu chuẩn IEE và IEC), có khả năng chịu được nhiễu điện từ

1.6 Những yêu cầu chung của một hệ SCADA

1/ Yêu cầu về phần cứng

• Máy tính PC dùng để thu thập và điều khiển phải mang tính phổ thông và có thể giao tiếp

được tốt với nhiều thiết bị phần cứng từ các hãng khác nhau

• Hệ điều hành đã nhiệm tốt, cho phép giao tiếp với nhiều các thiết bị phần cứng và sử

dụng được nhiều phần mềm khác nhau

10

3/ Yêu cầu về dịch vụ SCADA cung cấp

• Có khả năng thu thập, lưu trữ, xử lí số liệu được ít nhất trong một năm

• Cung cấp sự giao tiếp, giao diện rõ ràng cho người vận hành dễ dàng sử dụng, hiển thị sơ

đồ, đồ thị một cách trực quan để phân tích cũng như in bản báo cáo nhanh chóng và chính

xác

• Giúp cho người vận hành thao tác từ xa một cách dễ dàng Tuy nhiên vẫn phải bảo đảm

các thao tác bằng tay phòng trường hợp có sự cố kĩ thuật xảy ra

• Gía thành, chi phí lắp đặt hệ thống hợp lí, phù hợp với yêu cầu, ngân sách của doanh

nghiệp sử dụng

1.7 Nguyên lí làm việc của hệ thống SCADA

a Nguyên lí thu thập dữ liệu của hệ thống SCADA

- Đầu tiên, thông tin từ những thiết bị, cảm biến sẽ được quét bởi RTU RTU sau đó sẽ được quét bởi máy chủ (Master) với tốc độ chậm hơn để máy chủ thu thập những thông

tin và dữ liệu mà RTU đã nhận được

- Để các bước thu thập dữ liệu được diễn ra, người vận hành hệ thống sẽ gửi yêu cầu từ máy chủ xuống RTU, cho phép RTU ra tín hiệu để điều khiển các thiết bị khác làm

nhiệm vụ

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của quá trình thu thập dữ liệu của SCADA

b Nguyên lí cảnh báo của hệ thống SCADA

- Trong quá trình vận hành bình thường, nếu các thiết bị đang vận hành vi phạm các giới hạn cho phép của các thông số kĩ thuật hoặc bị sự cố, hệ thống sẽ nhận biết sự cố và đưa

ra các báo động dưới dạng chuông hoặc còi; hiển thị nội dung cảnh báo đối với sự cố lên màn hình HMI với các phương thức nổi bật như sử dụng màu sắc, nhấp nháy chữ; nhằm mục đích giúp cho người kĩ sư vận hành hệ thống có thể nhận biết sớm và đưa ra các phương án xử lí kịp thời để đưa các thiết bị trở lại trạng thái hoạt động bình thường hoặc chuyển sang các thiết bị dự phòng vào hoạt động thay thế nhằm đảm bảo cho hệ thống

điện vẫn làm việc ở trạng thái ổn định, giảm thiểu rủi ro gây thất thoát kinh tế

- Mọi sự kiện xảy ra với các thiết bị trong hệ thống trong quá trình vận hành sẽ đều được

tự động lưu trữ theo thời gian, độ chính xác đến từng mili giây Người vận hành hệ thống