Xây dựng hệ thống giám sát đập và hồ chứa tích hợp với SCADA nhà máy thủy điện đồng nai 3

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐÌNH TRUNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐẬP VÀ HỒ CHỨA TÍCH HỢP VỚI SCADA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 60.52.02.02 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Thành Việt Phản biện 1: TS Nguyễn Hữu Hiếu Phản biện 2: TS Vũ Phan Huấn Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 03 tháng 03 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa - Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, phát triển mạnh mẽ kinh tế, tốc độ công nghiệp hoá tăng nhanh Trong phát triển kinh tế đất nước sau 40 năm đổi mới, thủy điện đóng vai trò vơ to lớn, cấu phần quan trọng ngành điện đảm bảo cung ứng điện cho trình hội nhập kinh tế quốc tế Hiện nước có 330 cơng trình thủy điện với tổng công suất 17.615 MW vận hành Năm 2017, sản lượng điện sản xuất từ thủy điện đạt 63,73 tỷ kWh, chiếm 32% tổng sản lượng điện nước Đây nguồn lượng sạch, có khả tái tạo, giá thành rẻ so với nguồn khác Các hồ chứa cơng trình thủy điện với tổng dung tích khoảng 56 tỷ m3, chiếm 86% tổng dung tích hồ chứa nước, góp phần quan trọng vào việc cắt lũ cho hạ du sản xuất điện Vào mùa cạn, hồ cung cấp nước cho khu vực hạ du góp phần vào việc bảo đảm an ninh lương thực trật tự, an toàn xã hội Hiện nay, giám sát mực nước hồ chứa xác mùa lũ nhằm điều tiết lưu lượng xả quan trọng, việc giám sát mực nước hồ chứa vận hành liên hồ tham gia thị trường điện cần đảm bảo tối ưu Trong việc giám sát mực nước camera người đọc không thực tin cậy xác Ngồi ra, chất lượng đập thủy điện yếu tố quan trọng bậc vận hành nhà máy thủy điện, liên quan tới an toàn tổ máy vùng hạ du Cho nên việc giám sát chất lượng đập hàng ngày, hàng yếu tố tiên để đảm bảo chất lượng đập nằm phạm vi cho phép để tiếp tục vận hành Vì việc ứng dụng hệ thống SCADA nhằm giám sát mực nước hồ thủy điện giám sát đập nhằm vận hành an toàn, tối ưu nhiệm vụ quan trọng vấn đề vận hành nhà máy thủy điện Mục tiêu nghiên cứu Mục đích luận văn xây dựng chương trình SCADA giám sát đập hồ chứa nhà máy thủy điện Đồng Nai phòng điều khiển trung tâm Đối tượng công cụ nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hồ chứa Đập nhà máy thủy điện Đồng Nai Công cụ nghiên cứu : Phần mềm PLC S7-200, phần mềm PC 200W, Phần mềm Multilogger Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu logic, giám sát SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai Nghiên cứu quy trình giám sát Đập nhà máy thủy điện Đồng Nai Xây dựng chương trình giám sát mực nước hồ từ phòng điều khiển trung tâm nhà máy Xây dựng chương trình tính tốn đầu dò giám sát đập sử dụng phần mềm PC 200W, phần mềm Multilogger Phương thức SCADA giám sát đập nhà máy thủy điện Đồng Nai Xây dựng chương trình thực nghiệm nhà máy thủy điện Đồng Nai Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Xây dựng lên hệ thống SCADA giám sát mực nước hồ chất lượng đập nhà máy thủy điện Đồng Nai Nhằm giúp công ty thủy điện Đồng Nai quản lý vận hành tối ưu, an toàn nhà máy thủy điện Đồng Nai Cấu trúc luận văn: Căn vào mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu luận văn đặt tên sau: “XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐẬP VÀ HỒ CHỨA TÍCH HỢP VỚI SCADA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3.” Nội dung luận văn gồm chương sau: Chương Tổng quan nhà máy thủy điện Đồng Nai Chương Xây dựng chương trình SCADA giám sát mực nước hồ nhà máy thủy điện Đồng Nai Chương Xây dựng chương trình SCADA giám sát đập nhà máy thủy điện Đồng Nai CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 1.1 Giới thiệu sơ lược nhà máy thủy điện Đồng Nai 1.2 Vai trò nhà máy thủy điện Đồng Nai 1.3 Các hạng mục cơng trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 1.4 Các thơng số cơng trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 1.5 Kết luận chương Trong chương 1, trình bày vị trí, vai trò, nhiệm vụ thơng số nhà máy thủy điện Đồng Nai Từ vai trò việc cần thiết xây dựng hệ thống giám sát liên tục, tin cậy nhà máy nhiệm vụ quan trọng công tác xây dựng, vận hành phát triển an ninh lượng Một hệ thống cần giám sát từ xa mạng SCADA nhà hệ thống giám sát mực nước hồ đập, cơng trình đầu mối tuyến lượng nhà máy CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH SCADA GIÁM SÁT MỰC NƯỚC HỒ CHỨA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 2.1 Giới thiệu chung hệ thống SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 2.1.1 Tổng quan sơ đồ kết nối SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 2.1.2 Phân quyền, giám sát SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 2.1.3 Các thiết bị mạng SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 2.1.3.1 Bộ điều khiển AC800M 2.1.3.2 Modul S800 I/O 2.1.4 Vai trò trạng việc giám sát SCADA mực nước hồ chứa NMTĐ Đồng Nai NMTĐ Đồng Nai có diện tích mặt hồ rộng 56Km2, việc giám sát mực nhằm đảm bảo vận hành tối ưu nguồn nước cho phát điện an toàn vùng hạ du quan trọng Tuy nhiên hệ thống nhiều hạn chế sau: Hiện mực nước hồ giám sát camera thước đo mực nước hồ, mà khơng có tín hiệu truyền trung tâm cách nhà máy km Khi mùa lũ xảy việc giám sát mực nước nhằm vận hành hồ chứa liên hồ điều tiết lũ gặp khó khăn dao động sóng, lưu lượng hồ lớn dẫn đến việc giám sát mực nước camera khơng tin cậy xác 2.2 Tính tốn lựa chọn sensor mực nước hồ chứa 2.2.1 Quan hệ mực nước diện tích hồ chứa NMTĐ Đồng Nai Biểu đồ 2.1 Quan hệ dung tích mực nước hồ F = f(z) 2.2.2 Lựa chọn sensor mực nước 2.2.2.1 Giới thiệu loại sensor đo mực nước 2.2.2.2 Lựa chọn sensor mực nước hồ nhà máy thủy điện Đồng Nai Hình 2.1 Sensor mực nước Vega Plus Bảng 2.3: Bảng thơng số kĩ thuật sensor Vega Plus Đặc tính STT Thông số kỹ thuật Hãng Vega Plus Nước sản xuất Đức Nguồn 9.6 36 VDC tín hiệu 4-20mmA Cấp bảo vệ IP 66/67 Dải đo lường Max 45m Dải áp suất -1 +40 Bar Bước thời gian ≤ 3s Nhiệt độ vận hành -40° to +185°F 10 Độ xác ≤ 1mm Hình 2.2 Khoảng cách lắp đặt so với bề mặt tường chắn 2.3 Mạng truyền thông hệ thống SCADA giám sát mực nước hồ chứa nhà máy thủy điện Đồng Nai 2.3.1 Đường truyền thông hệ thống 2.3.2 Trung tâm thu thập xử lý số liệu 2.3.3 Phần mềm xử lý tín hiệu 2.3.3.1 Phần mềm tính tốn chỗ Hệ thống tính tốn mực nước chỗ lập trình lập trình logic khả trình PLC S7-200 phần mềm loại nhỏ hãng Siemens có cấu trúc theo kiểu module có module mở rộng Các module đươc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác Ưu điểm hệ thống chọn PLC S7-200 giá thành rẻ, dễ lập trình, có modul đọc tín hiệu analog 4-20mmA sensor phát Hình 2.3 Cấu trúc PLC S7-200 2.3.3.2 Phần mềm điều khiển trung tâm 2.4 Thiết kế hệ SCADA giám sát mực nước nhà máy thủy điện Đồng Nai 2.4.1 Các thiết bị tủ giám sát chỗ 2.4.1.1 CPU 226 DC/DC/DC 2.4.1.2 Modul Analog (AI) EM 231 2.4.1.3 Modul quang điện MOXA 2.4.2 Phương trình tính tốn mực nước hồ 2.4.2.1 Đặt vấn đề Chương trình tính tốn viết cho phương trình analog PLC S7-200 với thơng số đầu vào sau:  Dải đo: 0-30m  Tín hiệu cảm biến truyền về: 4-20mmA  Trong PLC S7-200 đọc tín hiệu analog có độ phân giải từ 6400 đến 32000 nghĩa 4mA đọc vào PLC hiểu 6400 đơn vị 20mA đọc 32000 đơn vị 10 Hình 2.6 Vận hành hệ thống SCADA giám sát mực nước hồ NMTĐ ĐN3 2.5.3 Hình ảnh lắp đặt thực tế hệ thống Hình 2.7 Sensor lắp đặt thực tế hồ thủy điện NMTĐ ĐN3 Hình 2.8 Tủ điều khiển giám sát chỗ với PLC S7-200 11 Hình 2.9 Các thiết bị tủ điều khiển chỗ Hình 2.10 Các thiết bị kết nối tủ điều khiển trung tâm 12 2.6 Kết Luận chương Trong chương 2, luận văn xây dựng chương trình giám sát mực nước hồ tích hợp vào hệ thống SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai Chương xây dựng chương trình PLC tính tốn từ sensor Rada đo mực nước hồ, Bên cạnh luận văn đưa phương thức kết nối, tích hợp vào hệ thống SCADA nhà máy Sau trình nghiên cứu thử nghiệm thực tế hệ thống Scada giám sát mực nước hồ nhà máy thủy điện Đồng Nai 3, ứng dụng thực tế vào công tác giám sát mực nước nhà máy thủy điện Đồng Nai Hệ thống mang tính thực tiễn cao, độ xác tin cậy so với phương pháp thủ công trước Hiện người vận hành sử dụng hệ thống để giám sát tính tốn mực nước phục vụ công tác thị trường điện điều tiết lũ 13 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH SCADA GIÁM SÁT ĐẬP NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3.1 Giám sát chất đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3.1.1 Mục đích ý nghĩa giám sát đập Để quản lý sử dụng cơng trình tốt đảm bảo làm việc xác, an tồn, phát huy tốt lực thiết kế đồng thời cung cấp tài liệu cho việc cải tiến, hồn thiện cơng trình, đơn vị quản lý cần phải thực giám sát số nội dung cơng trình chủ yếu Yêu cầu giám sát phải xác, trung thực, phải có hệ thống, thống nhất, phải giám sát kịp thời Nội dung chủ yếu giám sát bao gồm: Giám sát biến dạng cơng trình di chuyển vị trí Giám sát lún cơng trình Giám sát nứt nẻ cơng trình Quan trắc thấm qua đập Giám sát nhiệt độ thân đập 3.1.2 Nhiệm vụ công tác giám sát đập 3.1.3 Nội dung công tác giám sát đập 3.1.4 Vai trò, trạng hệ thống giám sát đập NMTĐ Đồng Nai 3.1.4.1 Vai trò 3.1.4.2 Hiện trạng hệ thống giám sát đập NMTĐ ĐN3 Hiện nay, đập tràn nhà máy thủy điện Đồng Nai có lắp sẵn đầu dò giám sát thông số chất lượng đập từ lúc thi 14 cơng cơng trình đập tràn Tuy nhiên tất đầu dò gồm 143 đầu dò đưa dồn kênh Multilogger (MUX) bao gồm 14 nằm trải dài hành lang thân đập cao 108m Do với quy trình yêu cầu 10 ngày phải thu thập liệu giám sát lần để có sở đánh giá chất lượng đập Vì nhân viên vận hành thực dùng máy đo xách tay chuyên dụng vào hành lang thân đập đo trực tiếp đầu dò Khi việc thời gian cơng sức tin có số liệu không đảm bảo Từ thực trạng cần đưa giải pháp để thu thập số liệu từ xa phòng ĐKTT thơng qua hệ thống SCADA nhà máy TĐĐN3 3.2 Tổng quan hệ thống giám sát đập nhà máy TĐĐN3 3.2.1 Giới thiệu đập nhà máy TĐĐN3 Là đập bê tơng đầm lăn (RCC), cao trình đỉnh đập +595 (m); cao trình dài đỉnh đập 586,4 (m); chiều rộng đỉnh đập 10 (m); chiều cao đập 108 (m); mái thượng lưu thẳng đứng, mái hạ lưu nghiêng với m = 0,8 Bên thân đập xây dựng thành hành lang đập với cao trình khác Hình 3.11 Đập tràn nhà máy thủy điện Đồng Nai 15 Trong hành lang thân đập bố trí đầu dò giám sát khác nằm trải tồn đập Các đầu dò vị trí gần đưa hộp dồn kênh multilogger (MUX) tương ứng Sơ đồ bố trí miêu tả sau: Hình 3.12 Sơ đồ bố trí thiết bị hành lang đập nhà máy TĐDN3 3.2.2 Các thiết bị giám sát lắp đặt bên đập nhà máy TĐĐN3 Bảng 3.1 Bảng số liệu thống kê thiết bị lắp đặt giám sát đập STT Tên thiết bị Tổng số Kí hiệu Sensor đo áp lực thấm tự động 16 P1÷ P16 Sensor đo cảm biến nhiệt bêtơng 60 DN1÷ DN2060 Sensor đo ứng suất bêtơng 16 S1÷ S16 Sensor đo chuyển dịch vị trí 38 2J1÷ 2J38 13 3J1÷ 3J13 14 MUX ÷ MUX chiều (2D) Sensor đo chuyển dịch vị trí chiều (3D) Hộp dồn kênh multilogger (MUX) 3.2.3 Giới thiệu thiết bị giám sát 14 16 3.2.3.1 Sensor đo áp lực thấm tự động Hình 3.13 Thiết bị đo ứng suất 3.2.3.2 Sensor đo cảm biến nhiệt độ bêtơng Hình 3.14 Thiết bị đo nhiệt độ Bêtông 17 3.2.3.3 Sensor đo cảm biến ứng suất Hình 3.15 Sensor ứng suất 3.2.3.4 Sensor đo chuyển dịch vị trí 2D, 3D Hình 3.16 Bố trí sensor chuyển dịch vị trí ba chiều 18 3.2.3.5 Bộ dồn kênh multilogger (MUX) Hình 3.17 Sơ đồ đấu dây dồn kênh thực tế 3.3 Thiết kế hệ SCADA giám sát đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3.3.1 Sơ đồ mạng truyền thông SCADA hệ thống giám sát Hình 3.18 Sơ đồ kết nối truyền thông mạng SCADA giám sát đập 19 3.3.2 Các thiết bị hệ thống SCADA giám sát đập 3.3.2.1 Khối xử lý tín hiệu Hình 3.19 sơ đồ kết nối Data 3.3.2.2 Khối truyền thu thập liệu Hình 3.20 Sơ đồ mạng kết nối MD485 3.4 Xây dựng chương trình tính tốn thu thập liệu SCADA giám sát đập 3.4.1 Thiết lập đường truyền thông 3.4.2 Chương trình tính tốn SCADA giám sát đập 3.4.2.1 Xây dựng chương trình  Cấu hình Datalogger Datalogger 2:  Xây dựng liệu đầu vào: 20 3.4.2.2 Lưu trữ liệu Hình 3.21 Truy xuất liệu 3.5 Các hình ảnh thực tế hệ thống 3.5.1 Giao diện thị Hình 3.22 Màn hình SCADA giám sát thông số đập NMTĐ DN3 21 3.5.2 Biểu đồ liệu Hình 3.23 Biểu đồ liệu 3.5.3 Hình ảnh lắp đặt thực tế hệ thống Hình 3.24 Tủ điều khiển Data 22 Hình 3.34 Các thiết bị tủ Data 3.6 Kết Luận Chương Trong chương 3, xây dựng mạng SCADA truyền thông từ sensor giám sát từ đập phòng điều khiển trung tâm Bên cạnh xây dựng chương trình tính tốn giá trị sensor giám sát phần mềm PC200W Xây dựng sở liệu sensor nhằm giúp người vận hành theo dõi, thu thập sở liệu sensor phòng điều khiển trung tâm nhà máy theo thời gian thực Hệ thống mang tính thực tiễn cao, độ xác tin cậy so với phương pháp thủ công trước Hiện người vận hành sử dụng hệ thống để theo dõi, truy xuất liệu phục vụ công tác đánh giá chất lượng đập định kỳ theo quy định liên hồ 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  KẾT LUẬN Tuy công nghệ SCADA xuất tương đối lâu việc ứng dụng vào giám sát, điều hành, điều khiển hạng mục đập, hồ chứa nhà máy thủy điện tương đối mới, cần có nhiều đề tài nghiên cứu vấn đề Thông qua hệ thống SCADA quản lý, giám sát hệ thống địa điểm thông qua mạng truyền thông liệu Do khái niệm khoảng cách khơng trở ngại việc điều hành, điều khiển hệ thống Hệ thống SCADA giúp q trình xử lý tình diễn nhanh chóng có hỗ trợ tính tốn từ máy tính lưu trữ liệu lâu dài giúp công tác quản lý, đánh giá dự đốn xác bối cảnh thị trường điện việt nam dần hình thành  ĐĨNG GĨP VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN VĂN Thông qua kết nghiên cứu luận văn có thêm nhiều hệ thống cơng trình thủy điện áp dụng cơng nghệ SCADA vào quản lý vận hành cơng trình nước ta việc sử dụng công nghệ vào quản lý, khai thác, giám sát cơng trình đầu mối nhà máy thủy điện chưa nhiều Cần nâng cao kỹ bảo trì bảo dưỡng, xử lý hư hỏng hệ thống giám sát tự động hóa cho kỹ sư , công nhân nhà máy điện để quản lý sữa chữa hệ thống kịp thời Thực triển khai, áp dụng thực tế hệ thống giám sát đập mực nước hồ chứa tích hợp với hệ thống SCADA nhà máy 24 máy thủy điện bậc thang thượng nguồn sông Đồng Nai như: nhà máy thủy điện Đồng Nai 2, nhà máy thủy điện Đồng Nai 4, nhà máy thủy điện Đồng Nai Nhằm mục đích giám sát liên hồ đập theo quy trình đảm bảo xác, khách quan an toàn ... dịch vị trí 38 2J1÷ 2J38 13 3J1÷ 3J 13 14 MUX ÷ MUX chiều (2D) Sensor đo chuyển dịch vị trí chiều (3D) Hộp dồn kênh multilogger (MUX) 3. 2 .3 Giới thiệu thiết bị giám sát 14 16 3. 2 .3. 1 Sensor đo... động Hình 3. 13 Thiết bị đo ứng suất 3. 2 .3. 2 Sensor đo cảm biến nhiệt độ bêtơng Hình 3. 14 Thiết bị đo nhiệt độ Bêtơng 17 3. 2 .3. 3 Sensor đo cảm biến ứng suất Hình 3. 15 Sensor ứng suất 3. 2 .3. 4 Sensor... điện Đồng Nai 3. 3.1 Sơ đồ mạng truyền thơng SCADA hệ thống giám sát Hình 3. 18 Sơ đồ kết nối truyền thông mạng SCADA giám sát đập 19 3. 3.2 Các thiết bị hệ thống SCADA giám sát đập 3. 3.2.1 Khối