NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VẬN HÀNH CÁC TRẠM BIẾN ÁP RESEARCHING COMPUTER GUIDE TO BUILD CONTROLLING AND SUPERVISING SYSTE
Trang 1NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN HỆ
THỐNG ĐIỆN ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VẬN HÀNH CÁC TRẠM BIẾN ÁP
RESEARCHING COMPUTER GUIDE TO BUILD CONTROLLING AND SUPERVISING SYSTEMS FOR OPERATING SUBSTATIONS
NGÔ VĂN DƯỠNG – HUỲNH VĂN KỲ
Đại học Đà Nẵng
LÊ ĐÌNH DƯƠNG
Trường Đại học Bách khoa
TÓM TẮT
Công nghệ điều khiển hệ thống điện (HTĐ) bằng máy tính (Computer guide) đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới để tự động hoá quá trình vận hành hệ thống điện Do đặc điểm của Hệ thống điện Việt Nam (HTĐVN) còn tồn tại nhiều chủng loại thiết bị khác nhau và đa số các dao cách ly (DCL) đều truyền động đóng cắt bằng tay nên việc sử dụng công nghệ nêu trên với các thiết bị ngoại nhập để cải tạo nâng cấp thì chi phí khá cao Bài báo trình bày một giải pháp áp dụng công nghệ điều khiển để xây dụng phần mềm và sử dụng các thiết bị lắp ráp trong nước để cải tao nâng cấp các trạm biến áp (TBA) công suất nhỏ và có cấp điện
áp bé hơn 220 kV
ABSTRACT
Computer guide is applying spaciously all over the world to automate operating process of power systems Vietnam’s Power System has a characteristic that many devices with different types exist in it and most disconnectors are driven to switch by hand so using above technology with imported devices to improve and upgrade substations is rather expensive This article presents a solution which applies controlling technology to build software and use inland devices to improve and upgrade substations with small capacity and voltage lower than 220 kV
1 Đặt vấn đề
Trong quản lý vận hành hệ thống điện nói chung, TBA nói riêng, các công
ty thường tìm những giải pháp nhằm giảm chi phí vận hành đến mức thấp nhất như: Tự động hoá TBA để giảm số nhân viên vận hành; điều khiển và giám sát từ
xa để phát hiện và xử lý nhanh sự cố nhằm giảm thiểu thời gian mất điện; xây dựng những phần mềm tự động thao tác với những ràng buộc khống chế tránh thao tác nhầm… Công nghệ điều khiển hệ thống điện bằng máy tính đã hổ trợ tích cực cho các giải pháp trên, tuy nhiên để sử dụng được công nghệ này thì cần phải đầu
tư các bộ thu thập cung cấp thông tin và tất cả các thiết bị đóng cắt đều có bộ truyền động đóng cắt điều khiển từ xa (đặc biệt là các dao cách ly) Như vậy, cần
Trang 2phải tăng vốn đầu tư nhưng khoản kinh phí này sẽ được bù đắp nhanh chóng nhờ giảm chi phí vận hành
Do đặc điểm hình thành và phát triển qua nhiều giai đoạn lịch sử khác nhau nên trong HTĐVN đang tồn tại nhiều chủng loại thiết bị và nhiều cấp điện áp vận hành khác nhau nên gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình quản lý vận hành hệ thống [5] Công nghệ điều khiển hệ thống điện đã bắt đầu được áp dụng ở một số nhà máy điện và các trạm biến áp 220 kV để thực hiện tự động hoá quá trình vận hành Đối với các TBA có cấp điện áp bé hơn 220 kV, công suất nhỏ (chiếm 3/4 tổng công suất lắp đặt của các TBA trong toàn hệ thống) đều không có người trực
và thao tác đóng cắt bằng tay Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cần thiết phải cải tạo nâng cấp các TBA này Tuy nhiên, nếu sử dụng công nghệ và thiết bị nhập ngoại thì giá thành cao làm giảm hiệu quả đầu tư Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu tìm giải pháp hợp lý để áp dụng công nghệ điều khiển hệ thống điện nhằm cải tạo nâng cấp các TBA nêu trên theo hướng tự động hoá quá trình điều khiển và giám sát vận hành
2 Hiện trạng thiết bị đóng cắt và công nghệ điều khiển đang sử dụng trong HTĐVN
Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, trong những năm qua Tổng công ty Điện lực Việt Nam đã từng bước thay thế và đồng bộ hoá các thiết bị đóng cắt Trước đây, tại các TBA là thiết bị cũ của Liên Xô, các máy cắt lắp đặt trên lưới là loại máy cắt không khí BBbT, máy cắt dầu BMT Hiện nay, các máy cắt được sử dụng chủ yếu là loại máy cắt SF6; các máy cắt không khí và máy cắt dầu ở lưới phân phối cũng dần dần được thay thế bằng các loại mới là máy cắt SF6 hoặc máy cắt chân không của các hãng như Alstom, Siemens, ABB, Sel, Areva, Trench, Các thiết bị này có một đặc điểm nổi bật là độ tin cậy cao, chi phí bảo dưỡng thấp
và khắc phục được các nhược điểm của các thiết bị cũ trước đây; phía 22 kV sử dụng máy cắt hợp bộ Một số dao cách ly (DCL) ở phía 110 kV và 35 kV được sử dụng trước đây vẫn tồn tại và chủ yếu là thao tác bằng tay, không có bộ truyền động hoặc có trước đó nhưng hiện nay đã hỏng, chưa được thay thế và cải tạo do
đó không thể áp dụng cho việc điều khiển và giám sát vận hành tự động [5]
Các TBA mới xây dựng gần đây hầu hết được trang bị các thiết bị đóng cắt thế hệ mới và có thể sử dụng cho việc điều khiển và giám sát vận hành tự động và đang sử dụng các công nghệ của nước ngoài như: LSA, SICAM SAS (Siemens), SCS/SMS, Micro SCADA (ABB), PACIS (Areva), SEL… Các TBA đã xây dựng trước đây với các thiết bị đóng cắt thế hệ cũ đặc biệt là các DCL, để áp dụng điều khiển và giám sát vận hành tự động thì cần phải cải tạo lại cho phù hợp
Như vậy, phần lớn các TBA thuộc HTĐVN có cấp điện áp dưới 220kV sử dụng hệ thống điều khiển và giám sát vận hành là hệ thống bảng điều khiển cổ truyền bằng vặn khóa, các đồng hồ chỉ thị kim tại phòng điều khiển và thực hiện liên động qua các tiếp điểm phụ của DCL, máy cắt và các rơle trung gian, các TBA nhỏ thì không có người trực Các thiết bị này hầu hết đã vận hành lâu năm và
Trang 3một số TBA sử dụng các thiết bị tồn kho của các công trình khác để lại, trong khi
đó, nhu cầu phụ tải trong giai đoạn này tăng nhanh, lưới điện đã bộc lộ nhiều khiếm khuyết Tại nhiều TBA các thiết bị đóng cắt không được đồng bộ, nhiều chủng loại khác nhau dẫn đến khó khăn trong vận hành, bảo dưỡng, thay thế cũng như cải tạo nâng cấp để thực hiện tự động hoá trạm hoặc ứng dụng công nghệ điều khiển và giám sát vận hành bằng máy tính [5]
3 Tính toán thiết kế, chế tạo bộ truyền động đóng cắt dao cách ly bằng động
cơ điện
Để áp dụng công nghệ điều
khiển hệ thống điện bằng máy tính
thực hiện tự động hoá cho các TBA
thuộc HTĐVN thì yêu cầu các thiết bị
trong trạm đặc biệt là các thiết bị đóng
cắt phải có khả năng thao tác tự động
Các DCL đang sử dụng trong các
TBA thuộc HTĐVN có rất nhiều
chủng loại khác nhau và phần lớn
được thao tác bằng tay Do đó, một
yêu cầu đặt ra là phải cải tạo các bộ
truyền động DCL để thực hiện thao
tác bằng động cơ điện
Các hệ thống truyền động đóng
cắt DCL bằng động cơ điện thường có
ba dạng đặc trưng là dạng A, B và C [4] Thực tế sơ đồ truyền động dạng A (hình 1) với bộ truyền động hai cấp: Cấp một dùng bộ bánh răng trụ răng thẳng và cấp hai dùng bộ trục vít - bánh vít được sử dụng rất phổ biến trên lưới điện do những
ưu điểm nổi trội của hệ
thống truyền động dùng
bánh răng trụ-răng thẳng
và trục vít-bánh vít Vì
vậy, bài báo chọn sơ đồ
dạng A để nghiên cứu tính
toán thiết kế chế tạo bộ
truyền DCL
Hình 1 : Sơ đồ truyền động DCL dạng A
1 Động cơ điện
2 Hộp giảm tốc
3 Tay quay N1: Trục động cơ N2: Trục trục vít N3: Trục bánh vít
Các bước tính toán
thiết kế bộ truyền động
bao gồm: Tính chọn động
cơ; phân phối tỷ số truyền;
thiết kế bộ truyền động
bánh răng trụ, răng thẳng;
thiết kế bộ truyền trục vít
Hình 2 - DCL thực tế tại TBA thực tập
Trang 4Trên cơ sở các bước tính toán xây dựng được sơ đồ thuật toán và viết được chương trình tính toán thiết kế bộ truyền động DCL [4]
Chương trình này được ứng dụng để tính toán cải tạo các DCL tại TBA thực tập khoa Điện, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng (TBA-KĐ) Các DCL được sử dụng là loại DN do Công ty thiết bị Đông Hưng sản xuất với hệ thống truyền động cơ khí, thao tác bằng tay, lưỡi dao mở ngang Sau khi tính toán thiết kế đã chế tạo được bộ truyền động đóng cắt DCL để lắp đặt điều khiển đóng cắt cho các DCL loại DN nêu trên như hình 4
A
Hình 4 - Bộ truyền động đóng cắt DCL bằng điện
Bách gắn bộ truyền thao tác DCL
Bộ truyền động DCL bằng động cơ điện
A
Hình 3 - Bản vẽ thiết kế bộ truyền
động đóng cắt DCL bằng động cơ điện
4 Áp dụng cải tạo nâng cấp TBA thực tập khoa Điện, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
D1
4.1 Hiện trạng TBA thực tập khoa
Điện
100-1
C12
100 100-9
131-1
T1 171-1
1319
131 131-3
171 171-7
171-9
Để phục vụ cho việc thực tập
quản lý vận hành TBA cho sinh viên
chuyên ngành hệ thống điện, Đại học
Đà Nẵng đã đầu tư xây dựng TBA
110 kV, 25 MVA Sơ đồ nối điện
dạng sơ đồ hai hệ thống thanh góp có
thanh góp vòng như hình 5 Thiết bị
đóng cắt sử dụng loại máy cắt dầu và
dao cách ly loại DN Tác giả đã chọn
TBA này để áp dụng kết quả đã
nghiên cứu nhằm cải tạo để thực hiện
điều khiển và giám sát vận hành bằng
máy tính (Computer guide)
131-2 171-2 112-2
112-1
112
100-2
110kV
22kV
C11 C19
Hình 5 - Sơ đồ nối điện chính TBA thực tập
Trang 54.2 Xây dựng sơ đồ thuật toán điều khiển và giám sát TBPP điện năng
Để thực hiện quá trình điều khiển và giám sát vận hành các thiết bị phân
phối (TBPP) điện năng trong TBA tác giả đã khảo sát thực tế sơ đồ nối điện của
TBA, nghiên cứu quy trình thao tác hệ thống điện hiện hành [6, 7] để xây dựng sơ
đồ thuật toán giám sát vận hành (hình 6), sơ đồ thuật toán khống chế tránh thao tác
nhầm (hình 7) và sơ đồ thuật toán tự động điều khiển quá trình thao tác khi cần
kiểm tra sửa chữa thiết bị (hình 8)
4.3 Chương trình điều khiển và giám sát TBPP điện năng
Trên cơ sở sơ đồ thuật toán đã xây dựng được chương trình ACSTA để
điều khiển và giám sát vận hành cho TBA-KĐ Chương trình có các chức năng
sau:
- Điều khiển thao tác: Cho phép dùng chuột để thực hiện thao tác các thiết
bị đóng cắt (hình 9), khi lệnh thao tác sai thì chương trình sẽ không thực
hiện và thông báo lỗi (hình 10)
Hình 6: Thuật toán
giám sát vận hành
Hình 7 : Thuật toán khống chế thao tác
Hình 8: Thuật toán
tự động ĐK thao tác
Nhận số liệu
Bắt đầu
Gán giá trị cho biến
Tiếp tục
S
Đ
Dừng
Hiển thị trạng thái
Kiểm tra trạng thái sơ đồ Bắt đầu
Lệnh thao tác
Thực hiện thao tác
Báo lỗi Kiểm tra điều kiện
răng buộc
Tiếp tục
S
S Đ
Đ
Dừng
Kiểm tra trạng thái sơ đồ Bắt đầu
Lệnh thao tác sửa chữa hoặc phục hồi
tự động thiết bị
Thông báo Thực hiện quy t
Tiếp tục
S Đ
rình thao tác
Dừng
Trang 6- Tự động thao tác: Cho phép thực hiện tự động một phiếu thao tác để sửa chữa thiết bị hoặc xử lý sự cố
- Giám sát vận hành: Nếu được kết nối để thu nhận thông tin trạng thái thực tế của thiết bị trên TBA, chương trình sẽ cho phép giám sát trạng thái
sơ đồ trực tiếp trên màn hình máy tính
4.4 Hệ thống điều khiển và giám sát vận hành TBA-KĐ
Qua nghiên cứu ưu nhược điểm của các phương thức truyền dữ liệu kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi cho thấy phương thức truyền thông tin nối tiếp và kết nối qua cổng COM là thích hợp để sử dụng cho công nghệ điều khiển [1,8].ấTc giả
sử dụng phương thức trên để xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát vận hành TBA-KĐ như hình 11 Hệ thống T1 được lắp đặt tại TBA cho phép thực hiện điều khiển các thiết bị đóng cắt và giám sát vận hành TBA bằng phần mềm ACSTA trên máy tính Trạng thái của các thiết bị liên tục được truyền về máy tính theo chu
kỳ 3 sec/lần cho phép người vận hành theo dõi trạng thái sơ đồ trực tiếp trên màn hình máy tính Hệ thống T2 được kết nối với hệ thống T1 qua các thiết bị thu phát thông tin vô tuyến để thực hiện giám sát trạng thái vận hành TBA từ xa Tác giả sử dụng các máy điện thoại không dây kết nối qua mạng viễn thông điện lực để thu phát tín hiệu Khi T2 phát lệnh kết nối với T1 thì ĐT2 tự động quay số để kết nối ĐT1 Sau khi kết nối thành công thông tin trạng thái của TBA liên tục được truyền
từ MT1 đến MT2 theo chu kỳ 3 sec/lần cho phép người vận hành có thể giám sát trạng thái sơ đồ TBA trực tiếp trên màn hình MT2 Khi có lệnh kết thúc thì ĐT2 cắt kết nối với ĐT1
TBPP TBA thực tập
Tầng đệm
Bộ AD/DA
5 Kết luận
Qua nghiên các bộ truyền động đóng cắt DCL bằng động cơ điện đang sử dụng, tác giả đã tính toán thiết kế chế tạo được bộ truyền động cho DCL loại DN
để cải tạo các DCL TBA-KĐ
Trên cơ sở sơ đồ nối điện của TBA, bằng cách sử dụng các thủ tục hiển thị trạng thái thiết bị lên màn hình [2] và các ràng buộc về quy trình thao tác [6,7] đã xây dựng được phần mềm ACSTA kết nối với các thiết bị thu nhận và trao đổi
Hình 11 - Sơ đồ khối kết nối để thực hiện điều khiển và giám sát vận hành từ xa qua mạng điện thoại không dây
Bộ thu phát thông tin vô tuyến
Bộ thu phát thông tin vô tuyến
(ĐT2)
Máy tính tại phòng điều
khiển ở xa TBA (MT2)
Máy tính tại phòng điều khiển TBA thực tập
100-1
C 12
100
100-9
131-1
T1 171-1 1319
131
131-3
171 171-7
131 -2 171-2 112-2
112 100-2
C 11
110kV
22kV
C19
100-1
C 12 100 100-9 131-1 T1 171-1 1319 131 131-3 171 171-7
131-2 171-2 112-2 112 100-2
110kV
22kV
C19
C 11
T
2
T
1
Trang 7thông tin (bộ AD/DA) cho phép thực hiện quá trình điều khiển và giám sát vận hành TBA bằng máy tính
Sử dụng mạng viễn thông điện lực trên các điện thoại không dây cho phép thực hiện giám sát từ xa trạng thái sơ đồ của trạm Kết quả cho thấy tại phòng điều khiển trung tâm hoàn toàn có thể giám sát nhiều TBA bằng cách kết nối với từng trạm để quan sát trạng thái sơ đồ
Nếu sử dụng bộ thu thập và trao đổi thông tin có cả tín hiệu số lẫn tương tự thì ngoài trạng thái sơ đồ hệ thống còn cho phép theo dõi cả các thông số vận hành như dòng, áp và công suất tiêu thụ của các nhánh phụ tải
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ngô Diên Tập, Đo lường và điều khiển bằng máy tính, NXB KH & KT, Hà
Nội, 2006
[2] Ngô Văn Dưỡng, Huỳnh Văn Kỳ, Hạ Đình Trúc, Phạm Văn Kiên, Lê Đình
Dương, Mô phỏng và điều khiển các thiết bị phân phối điện năng, Đề tài nghiên
cứu khoa học cấp bộ mã số B2003-III-17
[3] Ngô Văn Dưỡng, Nghiên cứu xây dựng chương trình điều khiển các thiết bị
phân phối điện năng bằng máy tính, Tạp chí khoa học và công nghệ số 57, 2006
[4] Trần Ngọc Hoàng, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ điều khiển để cải tạo nâng
cấp các trạm biến áp, Luận văn thạc sỹ, Đại học Đà Nẵng, 2007
[5] Công ty truyền tải điện 2, Giới thiệu Hệ thống điện Việt Nam, Đà Nẵng, 2006 [6] Bộ công nghiệp, Quy trình thao tác hệ thống điện quốc gia, Hà Nội, 2007 [7] Tổng công ty điện lực Việt Nam, Quy trình vận hành - sửa chữa máy biên áp,
1998
[8] Jonathan W Valvano, Embedded Microcomputers: real time interfacing,
Hardcover 2006