TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN §1.1 KHÁI QUÁT CHUNG Khả thực hoạt động trạm điện nhân viên kỹ thuật, gọi trạm không người trực thực từ Trung tâm điều độ địa phương từ Trung tâm điều độ vùng/miền Điều tiết kiệm nhiều chi phí quản lý, vận hành hệ thống điện (HTĐ), tất yếu phải đảm bảo hoạt động thực tin cậy, xác theo yêu cầu Thật vậy, HTĐ cần có thao tác đóng mở máy cắt, dao cách ly, theo dõi đọc số liệu từ xa,… chi phí để trì nhân viên chỗ lại không hợp lý Ngoài việc xử lý chậm trễ nhân viên kỹ thuật xảy cố kéo dài thêm thời gian khắc phục cố làm giảm chất lượng phục vụ khách hàng Hơn chi phí trì nhân viên vận hành chỗ tăng cao thực thao tác đóng cắt, điều làm cho chi phí trở nên không kinh tế Đây nguyên nhân chủ yếu làm cho hệ thống điều khiển giám sát thu thập số liệu, gọi tắt tiếng anh SCADA phát triển hệ thống Thiết bị điều khiển từ xa thiết bị điện sử dụng nhiều năm gần nhu cầu thông tin điều khiển từ xa dẫn đến phát triển hệ thống thiết bị có khả thực thao tác, kiểm soát chúng báo cáo lại với Trung tâm điều độ thao tác điều khiển theo yêu cầu thực có kết Đồng thời cần thông báo thông tin quan trọng khác thông số vận hành lưới điện dòng điện, điện áp, công suất, tần số tới Trung tâm điều độ Ban đầu hệ thống phụ thuộc vào nhiều đường dây thông tin liên lạc truyền tín hiệu giám sát, điều khiển Thế hệ đầu hệ thống SCADA đáp ứng việc thực nhiều thao tác điều khiển Nhưng với phát triển kỹ thuật lĩnh vực thông tin ngày nay, thao tác điều khiển, giám sát hệ thống SCADA lớn thực mệnh lệnh từ Trung tâm điều độ Hiện Trung tâm điều độ miền Bắc, Trung, Nam, Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia hầu hết trạm biến áp từ cấp điện áp 110 kV trở lên nước ta trang bị hệ thống SCADA Hệ thống có hiệu giám sát, điều khiển vận hành HTĐ §1.2 SỰ PHÂN CẤP QUẢN LÝ CỦA HỆ THỐNG SCADA Việc giám sát, thu thập số liệu điều khiển cần thiết hệ thống công nghiệp Đặc thù HTĐ quy mô hệ thống sản xuất lớn, trải không gian rộng, bao gồm nhiều phần tử, thiết bị với chức năng, nguyên lý làm việc khác Do việc sử dụng hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhiệm tất chức giám sát điều khiển phức tạp Chính vậy, tùy theo mức độ quan trọng yêu cầu tính giám sát, điều khiển mà chức giám sát, điều khiển thu thập số liệu phân phối phân cấp cho thiết bị khác Hệ thống SCADA cho hệ thống hợp nhất, với công ty điện lực chịu trách nhiệm quản lý, thông thường chia thành ba cấp sau đây: 1.2.1 Cấp thứ Cấp thứ hệ thống SCADA, phần tử có chức giám sát thông số vận hành lưới, điều khiển lệnh cho phần tử đóng cắt, ghi chụp phân tích cố xảy tra lưới, rơ le bảo vệ kỹ thuật số DR (Digital Relay), ghi cố FR (Fault Recorder), đồng hồ kỹ thuật số đa chức DMM (Digital Multi–function Metter), biến đổi công suất, dòng điện, điện áp, tần số (Transducer)… Khi xảy cố, rơ le tính toán tác động theo thông số chỉnh định cài đặt mà không cần liên lạc với hệ thống cấp Ngoài phần tử thuộc cấp có chức thu thập số liệu, thông số vận hành chế độ bình thường HTĐ để gửi lên máy tính điều khiển mức trạm (Substation Server) thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) Trong hệ thống đại, phần tử gọi chung thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligent Electronic Devices) Chúng có nguyên lý làm việc chức khác nhau, có chuẩn giao tiếp (Protocol), cho phép IED nói chuyện với IED khác trạm (peer to peer) trao đổi với Điều khiển trạm SS (Substation Server) RTU Về nguyên tắc, hỏng hóc hay bảo trì IED không làm ảnh hưởng đến IED khác hệ thống 1.2.2 Cấp thứ hai Cấp thứ hai hệ thống SCADA Điều khiển trạm SS (Substation Server) RTU có chức chủ yếu thu thập số liệu từ IED quản lý, lưu lại sở liệu, phục vụ nhu cầu đọc liệu chỗ qua giao diện người máy HMI (Human Machine Interface) truyền liệu thu thập lên cấp quản lý cao theo chuẩn truyền thông tin 1.2.3 Cấp thứ ba Cấp thứ ba Trung tâm điều khiển toàn hệ thống, nơi thực việc thu thập số liệu từ Điều khiển trạm SS (Substation Server) RTU, thực chức tính toán đánh giá trạng thái hệ thống, dự báo nhu cầu phụ tải thực chức điều khiển quan trọng việc phân phối lại công suất nhà máy, lên kế hoạch vận hành toàn hệ thống Do quy mô rộng lớn hệ thống truyền tải điện năng, trạm điều khiển trung tâm chia thành cấp điều khiển trung tâm (Central control) trạm điều khiển vùng (Area Control Center) §1.3 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG SCADA Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp chức sau: 1.3.1 Chức giám sát 1) Giám sát đảm bảo tính xác toàn thông số vận hành hệ thống dòng điện, điện áp, công suất, tần số, vị trí nấc máy biến áp… 2) Giám sát trạng thái phần tử đóng cắt hệ thống Đó trạng thái đóng/mở máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa… 1.3.2 Chức điều khiển 1) Quá trình điều khiển phải xác, tin cậy Trong trình thực thao tác đóng/mở máy cắt, dao cách ly, điều khiển chuyển nấc phân áp máy biến áp… từ xa (từ Trung tâm điều độ vùng/miền quốc gia) phải đảm bảo tuyệt đối tin cậy, không nhầm lẫn, có nghĩa thao tác phải giám sát chặt chẽ tính liên động phối hợp máy cắt, dao cách ly thiết bị liên quan tuân theo quy trình quy phạm vận hành hệ thống 2) Cài đặt thông số từ xa Khi có thay đổi cấu trúc lưới nâng cao công suất chống tải thông số vận hành lưới thiết bị thay đổi, ta cần phải đặt lại thông số chỉnh định bảo vệ rơ le thay đổi tỷ số biến đổi thiết bị đo đếm đồng hồ công tơ cho phù hợp với thực tế Việc cài đặt thực từ xa Trung tâm điều độ vùng/miền quốc gia 1.3.3 Quản lý lưu trữ liệu Giám sát cố xảy lưới thiết bị, cảnh báo cố âm thanh, màu sắc thông báo hình hiển thị, ghi lại chuỗi kiện, cố xảy xác định chuẩn đoán cố Tất chức hệ thống phải bảo mật mức cao tuyệt đối tin cậy 1.3.4 Tính thời gian thực SCADA hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu thời gian thực, tính thời gian hệ thống cần thiết quan trọng Sự hoạt động bình thường hệ thống kỹ thuật nói chung, hệ thống điện nói riêng làm việc thời gian thực không phụ thuộc vào độ xác, đắn kết đầu ra, mà phụ thuộc vào thời điểm đưa kết Một hệ thống có tính thời gian thực không thiết phải có phản ứng thật nhanh mà quan trọng phải có phản ứng kịp thời yêu cầu, tác động bên Như hệ thống truyền tin có tính thời gian thực phải có khả truyền tải thông tin cách tin cậy kịp thời với yêu cầu đối tác truyền thông Do tính thời gian thực hệ thống giám sát, điều khiển phụ thuộc vào nhiều hệ thống thông tin sử dụng hệ thống đó, ví dụ hệ thống Bus trường Để đảm bảo tính thời gian thực, hệ thống Bus phải có đặc điểm sau: 1) Độ nhạy nhanh: Tốc độ truyền thông tin hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu trao đổi liệu giải pháp cụ thể 2) Tính tiền định: Dự đoán trước thời gian phản ứng tiêu biểu thời gian phản ứng chậm với yêu cầu trạm 3) Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển liệu cách tin cậy trạm nằm khoảng xác định 4) Tính bền vững: Có khả xử lý cố cách thích hợp để không gây thiệt hại thêm cho toàn hệ thống §1.4 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU HỆ THỐNG SCADA Từ phân cấp quản lý hệ thống điều khiển giám sát thu thập số liệu yêu cầu chung hệ thống SCADA nêu trên, hệ thống SCADA cần có cấu sau:  Trạm thu thập liệu trung gian: Là khối thiết bị vào đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) khối (bộ) vi điều khiển logic lập trình PLC (Programmale Logic Controllers) có chức giao tiếp với thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, hộp điều khiển đóng cắt van chấp hành…)  Trạm điều khiển giám sát trung tâm: hay nhiều máy chủ trung tâm (Central host computer server)  Hệ thống truyền thông: bao gồm mạng truyền thông công nghiệp, thiết bị viễn thông thiết bị chuyển đổi dòng kênh có chức truyền liệu cấp trường đến khối điều khiển máy chủ  Giao diện người – máy HMI (Human – Machine Interface): Là thiết bị hiển thị trình xử lý liệu để người vận hành điều khiển trình hoạt động hệ thống Theo thành phần, có chế thu thập liệu sau: Trong hệ SCADA, trình thu thập liệu thực trước tiên trình RTU quét thông tin có từ thiết bị chấp hành nối với chúng Thời gian để thực thi nhiệm vụ gọi thời gian quét bên Các máy chủ quét RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập liệu từ RTU Để điều khiển, máy chủ gửi tín hiệu yêu cầu xuống RTU, từ cho phép RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ Trong trình truyền tải liệu, liệu dạng liên tục (anlog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse) Giao diện sở để vận hành thiết bị đầu cuối hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn hệ thống điều khiển giám sát thiết bị hệ thống Tại thời điểm, liệu thị dạng hình ảnh tĩnh, liệu thay đổi hình ảnh thay đổi theo Trong trường hợp liệu hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiển thị trình thay đổi liệu hình giao diện đồ họa GUI dạng đồ thị Một ưu điểm lớn hệ SCADA khả xử lý lỗi thành công hệ thống xảy cố Nhìn chung, có cố, hệ SCADA lựa chọn cách xử lí sau: • Sử dụng liệu cất giữ RTU: hệ SCADA có RTU có dung lượng nhớ lớn, hệ thống hoạt động ổn định, liệu lưu vào nhớ RTU Do đó, hệ thống xảy lỗi RTU sử dụng tạm liệu hệ thống hoạt động trở lại bình thường • Sử dụng phần cứng dự phòng hệ thống: hầu hết hệ SCADA thiết kế thêm phận dự phòng, ví dụ hệ thống truyền thông hai đường truyền, RTU đôi hai máy chủ… Các phận dự phòng đưa vào sử dụng hệ SCADA có cố hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…) §1.5 GIỚI THIỆU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG SCADA Vào thập niên 90 kỷ trước, hệ thống SCADA có tác dụng thu thập liệu từ cảm biến đồng hồ đo, đèn báo ghi liệu hiển thị dạng đồ thị Hệ thống đơn giản (hình 1.1), không đáp ứng yêu cầu công nghệ sản xuất Hình 1.1 Hệ thống thu thập liệu sơ khai Đến năm 2000, chuẩn truyền thông IEC870–5–101/104 DNP 3.0 đời phổ biến việc sản xuất thiết bị giải pháp cho hệ thống SCADA Các thiết bị cảm biến thu thập liệu thay thiết bị vào I/O (Intput/Output) sử dụng chuẩn giao thức mở Modicon MODBUS dựa chuẩn giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) Hiện nay, hệ SCADA xu hướng dịch chuyển sang công nghệ chuẩn truyền thông Ethernet TCP/IP chuẩn dần thay chuẩn cũ Theo nhà cung cấp giải pháp tự động hóa thông tin phần mềm Wonderware công ty tự động hóa Rockwell, hệ chuẩn OPC–UA, có nhiều ưu điểm từ việc hỗ trợ công nghệ thông tin nhờ sử dụng ngôn ngữ XML (Extensible Markup Language), dịch vụ Web công nghệ Web đại khác Hình 1.2 ví đụ hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu SCADA đại Hình 1.3 thể chi tiết hệ thống SCADA Trạm giám sát vận hành – Giám sát thời gian thực – Điều khiển hệ thống – Theo dõi báo động cố – Phân tích, lập báo cáo – v.v Nhận liệu qua SMS Thiết bị đầu cuối Thiết bị đầu cuối Protection MV Circuit Relay Breker Power Analyser Giám sát vận hành linh hoạt Temperature Control Transmitter Valve Slamshut Filter Valve Meter Pressure Transmitter Thiết bị đầu cuối Water Storage Thiết bị đầu cuối Transfer Pump Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu SCADA đại Hệ thống thu thập liệu điều khiển giám sát SCADA hệ thống bao gồm thiết bị đầu cuối RTU làm nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ trạm vận hành trung tâm thu thập liệu từ thiết bị cảm biến trường, gửi liệu trả lại trạm chủ thông qua hệ thống truyền thông Các trạm chủ hiển thị thông số thu thập đồng thời cho phép người vận hành điều khiển thiết bị từ xa Ưu điểm hệ thống SCADA liệu xác kịp thời (thường thời gian thực) cho phép tối ưu hóa hoạt động nhà máy trình Hơn nữa, hệ thống SCADA có hiệu hơn, độ tin cậy cao an toàn vận hành Công nghệ SCADA hình thành phát triển sớm với cạnh tranh hai công nghệ khác điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System) điều khiển logic lập trình PLC (Programmale Logic Controllers) Đặc điểm khác hệ thống SCADA hệ thống điều khiển trình khác hệ thống SCADA giám sát điều khiển thiết bị từ khoảng cách xa hệ thống SCADA sử dụng phương pháp truyền thông đại hệ thống điều khiển trình khác sử dụng phương pháp nối dây trực tiếp Các RTU cung cấp giao diện đến cảm biến số tương tự trường Hệ thống truyền thông cung cấp đường cho giao tiếp trạm chủ thiết bị từ xa Hệ thống truyền qua đường dây điện, cáp quang, phát thanh, điện thoại chí vệ tinh Việc truyền liệu thực giao thức cụ thể phát lỗi hiệu quả, tối ưu liệu Trạm chủ (hoặc trạm con) thu thập liệu từ RTUs khác thường cung cấp giao diện điều hành cho hiển thị thông tin kiểm soát thiết bị trường từ xa Trong hệ thống từ xa lớn, trạm công trường thu thập thông tin từ thiết bị từ xa gửi thông tin trở lại trạm chủ để kiểm soát tổng thể Field devices (analog & digital input/output) Hình 1.3 Sơ đồ chi tiết hệ thống SCADA Trong hệ thống điều khiển phân tán DCS (hình 1.4), thu thập liệu chức điều khiển thực nhóm điều khiển phân tán đặt gần với thiết bị trường Vì vậy, hệ thống DCS thực với ứng dụng yêu cầu thiết bị đo đặt phạm vi thu hẹp Operator Stations Overview Display Detailed Display of Area Alarming Trending Data Highway (Bus based LAN) Dual Redundant Highway Remote Teminal Units (I/O) M F Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển phân tán Analog & Digital I/O Instrumentation & Contron Devices Hệ thống DCS phân thành cấp: – Cấp quản lý, giám sát – Cấp giao diện vận hành – Cấp điều khiển – Cấp chấp hành Bộ điều khiển logic lập trình PLC, từ năm 1970 đời để thay cho thiết bị điều khiển dạng khí Rơle Bộ PLC (hình 1.5) bao gồm phần mềm logic thiết bị phần cứng Bộ xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit), mô–đun vào Các PLC thường sử dụng thiết bị RTU hệ thống SCADA