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

Thiết bị điều khiển từ xa các thiết bị điện đã được sử dụng trong nhiều năm gần đây và nhu cầu về thông tin cũng như điều khiển từ xa dẫn đến sự phát triển các hệ thống thiết bị có khả n

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN

§1.1 KHÁI QUÁT CHUNG

Khả năng thực hiện các hoạt động tại một trạm điện không có nhân viên kỹ thuật, gọi là trạm không người trực được thực hiện từ Trung tâm điều độ địa phương hoặc từ Trung tâm điều độ vùng/miền Điều đó tiết kiệm được rất nhiều chi phí trong quản lý, vận hành hệ thống điện (HTĐ), nhưng tất yếu phải đảm bảo các hoạt động được thực hiện tin cậy, chính xác theo yêu cầu

Thật vậy, trong HTĐ cần có các thao tác như đóng mở máy cắt, dao cách ly, theo dõi đọc số liệu từ xa,… nhưng chi phí để duy trì nhân viên tại chỗ lại không hợp lý Ngoài ra việc xử lý chậm trễ của nhân viên kỹ thuật khi xảy ra sự cố có thể kéo dài thêm thời gian khắc phục sự cố và làm giảm chất lượng phục vụ khách hàng Hơn nữa chi phí duy trì nhân viên vận hành tại chỗ sẽ càng tăng cao khi thực hiện các thao tác đóng cắt, điều này làm cho chi phí đó trở nên không kinh tế

Đây là những nguyên nhân chủ yếu làm cho các hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu, gọi tắt bằng tiếng anh là SCADA phát triển trong hệ thống Thiết bị điều khiển từ xa các thiết bị điện đã được sử dụng trong nhiều năm gần đây và nhu cầu về thông tin cũng như điều khiển từ xa dẫn đến sự phát triển các hệ thống thiết bị có khả năng thực hiện các thao tác, kiểm soát chúng và báo cáo lại với Trung tâm điều độ các thao tác điều khiển theo yêu cầu đã thực hiện có kết quả Đồng thời cũng cần thông báo các thông tin quan trọng khác như các thông số vận hành của lưới điện như dòng điện, điện áp, công suất, tần số tới Trung tâm điều độ Ban đầu một hệ

thống như vậy phụ thuộc vào nhiều đường dây thông tin liên lạc truyền tín hiệu giám sát, điều khiển Thế hệ đầu của hệ thống SCADA không thể đáp ứng được việc thực hiện nhiều thao tác điều khiển Nhưng với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin ngày nay, các thao tác điều khiển, giám sát trong hệ thống SCADA là rất lớn khi thực hiện các mệnh lệnh từ Trung tâm điều độ

Hiện nay tại các Trung tâm điều độ miền Bắc, Trung, Nam, Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia và hầu hết các trạm biến áp từ cấp điện áp

110 kV trở lên ở nước ta đều được trang bị hệ thống SCADA Hệ thống này rất có hiệu quả trong 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 và điều khiển là rất cần thiết đối với một hệ thống công nghiệp bất kỳ Đặc thù của HTĐ là quy mô của hệ thống sản xuất rất lớn, trải trên một không gian rộng, bao gồm nhiều phần tử, thiết

bị với các chức năng, nguyên lý làm việc khác nhau Do đó việc sử dụng một hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhiệm tất cả các chức năng giám sát và điều khiển là hết sức phức tạp Chính vì vậy, tùy theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng giám sát, điều khiển mà các chức năng giám sát, điều khiển và thu thập số liệu được phân phối và phân cấp cho các thiết bị khác nhau Hệ thống SCADA cho hệ thống hợp nhất, với một công

ty điện lực chịu trách nhiệm quản lý, thông thường được chia thành ba cấp

cơ bản sau đây:

1.2.1 Cấp thứ nhất

Cấp thứ nhất của hệ thống SCADA, các phần tử có chức năng giám sát các thông số vận hành của lưới, điều khiển ra lệnh cho các phần tử đóng cắt, ghi chụp phân tích các sự cố xảy tra trên lưới, đó là rơ le bảo vệ kỹ thuật số DR (Digital Relay), bộ ghi sự cố FR (Fault Recorder), đồng hồ kỹ thuật số đa chức năng DMM (Digital Multi–function Metter), các bộ biến đổi công suất, dòng điện, điện áp, tần số (Transducer)… Khi xảy ra sự cố, các rơ le tính toán và tác động theo thông số chỉnh định đã được cài đặt mà

không cần liên lạc với hệ thống cấp trên Ngoài ra các phần tử thuộc cấp này còn có chức năng thu thập số liệu, thông số vận hành ở các chế độ bình thường của HTĐ để gửi lên các máy tính điều khiển mức trạm (Substation Server) hoặc các thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) Trong các

hệ thống hiện đại, các phần tử này được gọi chung là thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligent Electronic Devices) Chúng có các nguyên lý làm việc và chức năng khác nhau, nhưng có cùng chuẩn giao tiếp (Protocol), cho phép IED này có thể nói chuyện được với các IED khác trong cùng trạm (peer to peer) và trao đổi với Điều khiển trạm SS (Substation Server) hoặc RTU Về nguyên tắc, sự hỏng hóc hay bảo trì tại một IED sẽ không làm ảnh hưởng đến các IED khác trong hệ thống

1.2.2 Cấp thứ hai

Cấp thứ hai của hệ thống SCADA là các Điều khiển trạm SS (Substation Server) và RTU có chức năng chủ yếu là thu thập số liệu từ các IED do nó quản lý, lưu lại trong cơ sở dữ liệu, phục vụ các nhu cầu đọc dữ liệu tại chỗ qua các giao diện người máy HMI (Human Machine Interface)

và truyền dữ liệu thu thập được lên cấp quản lý cao hơn theo các chuẩn truyền thông tin

1.2.3 Cấp thứ ba

Cấp thứ ba là Trung tâm điều khiển của toàn hệ thống, nơi thực hiện việc thu thập số liệu từ các Điều khiển trạm SS (Substation Server) và RTU, thực hiện các chức năng tính toán đánh giá trạng thái của hệ thống, dự báo nhu cầu phụ tải và thực hiện các chức năng điều khiển quan trọng như việc phân phối lại công suất giữa các nhà máy, lên kế hoạch vận hành của toàn

hệ thống

Do quy mô rộng lớn của hệ thống truyền tải điện năng, các trạm điều khiển trung tâm còn có thể được chia thành các cấp điều khiển trung tâm (Central control) và các 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 được các chức năng sau:

1.3.1 Chức năng giám sát

1) Giám sát và đảm bảo được tính chính xác toàn bộ các thông số vận

hành của hệ thống như dòng điện, điện áp, công suất, tần số, vị trí nấc của máy biến áp…

2) Giám sát được các trạng thái của các phần tử đóng cắt trong hệ

thống Đó là trạng thái đóng/mở của máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa…

1.3.2 Chức năng điều khiển

1) Quá trình điều khiển phải chính xác, tin cậy

Trong quá trình thực hiện các thao tác đóng/mở máy cắt, dao cách ly, điều khiển chuyển nấc phân áp của máy biến áp… từ xa (từ Trung tâm điều

độ vùng/miền hoặc quốc gia) phải đảm bảo tuyệt đối tin cậy, không được nhầm lẫn, có nghĩa là các thao tác phải được giám sát chặt chẽ về tính liên động phối hợp giữa máy cắt, dao cách ly và các thiết bị liên quan tuân theo quy trình quy phạm vận hành của hệ thống

2) Cài đặt thông số từ xa

Khi có sự thay đổi về cấu trúc của lưới hoặc nâng cao công suất chống quá tải thì các thông số vận hành của lưới và thiết bị sẽ thay đổi, vì vậy ta cần phải đặt lại các thông số chỉnh định bảo vệ rơ le hoặc thay đổi tỷ số biến đổi trong các thiết bị đo đếm như đồng hồ và công tơ cho phù hợp với thực

tế Việc cài đặt này có thể được thực hiện từ xa tại các Trung tâm điều độ vùng/miền hoặc quốc gia

1.3.3 Quản lý và lưu trữ dữ liệu

Giám sát được các sự cố xảy ra trên lưới cũng như của các thiết bị, cảnh báo sự cố bằng âm thanh, màu sắc hoặc thông báo trên màn hình hiển thị, ghi lại được các chuỗi sự kiện, sự cố xảy ra và xác định chuẩn đoán sự cố

Tất cả các chức năng trên của hệ thống phải được bảo mật ở mức cao nhất và tuyệt đối tin cậy

1.3.4 Tính năng thời gian thực

SCADA là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong thời gian thực, do đó tính năng thời gian của hệ thống là rất cần thiết và quan trọng Sự hoạt động bình thường của hệ thống kỹ thuật nói chung, hệ thống điện nói riêng làm việc trong thời gian thực không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đầu ra, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh mà quan trọng hơn phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài Như vậy một hệ thống truyền tin có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền thông Do đó tính năng thời gian thực của một hệ thống giám sát, điều khiển phụ thuộc vào rất nhiều hệ thống thông tin sử dụng trong hệ thống

đó, ví dụ như hệ thống Bus trường

Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống Bus phải có những đặc điểm sau:

1) Độ nhạy nhanh: Tốc độ truyền thông tin hữu ích phải đủ nhanh để

đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể

2) Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu

và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm

3) Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận

chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định

4) Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để

không gây thiệt hại thêm cho toàn bộ hệ thống

§1.4 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU HỆ THỐNG SCADA

Từ sự phân cấp quản lý hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu cũng như yêu cầu chung của hệ thống SCADA nêu trên, một hệ thống SCADA cần có cơ cấu cơ bản như sau:

cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối (bộ) vi điều

khiển logic lập trình PLC (Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…)

trung tâm (Central host computer server)

nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dòng kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ

thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống

Theo các thành phần, có một cơ chế thu thập dữ liệu như sau:

Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên

ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu

từ các RTU này

Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ

đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ

Trong quá trình truyền tải dữ liệu, dữ liệu có thể là dạng liên tục (anlog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse)

Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo

Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa GUI dưới dạng đồ thị

Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố Nhìn chung, khi có sự cố, hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau:

• Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các

RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định, dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường

• Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ

SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ… Các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc 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 giữa những thập niên 90 của thế kỷ trước, những hệ thống SCADA đầu tiên chỉ có tác dụng thu thập dữ liệu từ các bộ cảm biến bằng các đồng hồ đo, đèn báo và các bộ ghi dữ liệu hiển thị dưới dạng đồ thị Hệ thống này hết sức đơn giản (hình 1.1), không đáp ứng được yêu cầu công nghệ trong sản xuất

Hình 1.1 Hệ thống thu thập dữ liệu sơ khai

Đến năm 2000, các chuẩn truyền thông như IEC870–5–101/104 và DNP 3.0 ra đời đã phổ biến trong việc sản xuất các thiết bị cũng như giải pháp cho hệ thống SCADA Các thiết bị cảm biến thu thập dữ liệu được thay thế bằng các thiết bị vào ra I/O (Intput/Output) sử dụng các chuẩn giao thức mở như Modicon MODBUS dựa trên chuẩn giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol)

Hiện nay, các hệ SCADA đang trong xu hướng dịch chuyển sang công nghệ chuẩn truyền thông Ethernet và TCP/IP là các chuẩn cơ bản đang dần thay thế các chuẩn cũ hơn Theo nhà cung cấp giải pháp tự động hóa và thông tin phần mềm Wonderware và công ty tự động hóa Rockwell, thế hệ tiếp theo có thể là chuẩn OPC–UA, do có nhiều ưu điểm từ việc hỗ trợ của công nghệ thông tin nhờ sử dụng ngôn ngữ XML (Extensible Markup Language), các dịch vụ Web và các công nghệ Web hiện đại khác Hình 1.2

là một ví đụ về hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA hiện đại Hình 1.3 thể hiện chi tiết một hệ thống SCADA

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA hiện đại

Nhận dữ liệu

qua SMS

Giám sát và vận hành linh hoạt

Trạm giám sát và vận hành – Giám sát thời gian thực – Điều khiển hệ thống – Theo dõi báo động sự cố – Phân tích, lập báo cáo – v.v

Thiết bị

đầu cuối

Thiết bị đầu cuối

Thiết bị đầu cuối

Thiết bị đầu cuối

MV Circuit

Breker

Protection

Relay

Power Analyser Pressure Transmitter

Transfer Pump

Water Storage

Temperature Transmitter Meter Control

Valve Slamshut Valve Filter

Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát SCADA là một hệ thống bao gồm các thiết bị đầu cuối RTU làm nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ trạm vận hành trung tâm và thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm biến tại hiện trường, gửi dữ liệu trả lại trạm chủ thông qua một hệ thống truyền thông Các trạm chủ hiển thị các thông số thu thập được và đồng thời cho phép người vận hành có thể điều khiển được thiết bị từ xa

Ưu điểm của hệ thống SCADA là các dữ liệu chính xác và kịp thời (thường là thời gian thực) cho phép tối ưu hóa hoạt động của nhà máy và quá trình Hơn nữa, hệ thống SCADA luôn có hiệu quả hơn, độ tin cậy cao

và an toàn hơn trong vận hành

Công nghệ SCADA đã hình thành và phát triển rất sớm cùng với sự cạnh tranh của hai công nghệ khác là điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System) và bộ điều khiển logic lập trình PLC (Programmale Logic Controllers) Đặc điểm khác nhau cơ bản nhất giữa hệ thống SCADA và các

hệ thống điều khiển quá trình khác là hệ thống SCADA có thể giám sát và điều khiển các thiết bị từ khoảng cách rất xa vì hệ thống SCADA sử dụng các phương pháp truyền thông hiện đại còn các hệ thống điều khiển quá trình khác chỉ sử dụng phương pháp nối dây trực tiếp

Các RTU cung cấp một giao diện đến các cảm biến số và tương tự tại hiện trường

Hệ thống truyền thông cung cấp đường cho giao tiếp giữa các trạm chủ và các thiết bị từ xa Hệ thống này có thể được truyền qua đường dây điện, cáp quang, phát thanh, điện thoại và thậm chí có thể vệ tinh Việc truyền dữ liệu được thực hiện bằng giao thức cụ thể và phát hiện lỗi hiệu quả, tối ưu dữ liệu

Trạm chủ (hoặc các trạm con) thu thập dữ liệu từ RTUs khác nhau và thường cung cấp một giao diện điều hành cho hiển thị các thông tin và kiểm soát các thiết bị trường từ xa Trong các hệ thống từ xa lớn, các trạm con tại công trường thu thập thông tin từ các thiết bị từ xa và gửi thông tin trở lại trạm chủ để kiểm soát tổng thể

Hình 1.3 Sơ đồ chi tiết một hệ thống SCADA

Trong hệ thống điều khiển phân tán DCS (hình 1.4), sự thu thập dữ liệu và các chức năng điều khiển được thực hiện bởi một nhóm các bộ điều khiển phân tán đặt gần với các thiết bị trường Vì vậy, hệ thống DCS chỉ

Field devices (analog & digital input/output)