SCADA trong hệ thống điện

Chưương 1: Giới thiệu SCADA 1.1 Tổng quan chung SCADA: a Định nghĩa: SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu Điều khiển điều khiển cách giám sát SCADA khác với hệ thống điều khiển DCS chỗ, hệ DCS hệ thống điều khiển phân tán mạng diện rộng chế điều khiển giao cho phần tử cấp dưới, hệ thống SCADA thiên giám sát thu thập liệu mạng tập trung, thao tác lên hệ điều khiển trung tâm b Chức vai trò: Mỗi hệ thống sản xuất cơng nghiệp thường tổ chức theo nhiều cấp quản lý Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập điều khiển giám sát riêng lên đối tượng cụ thể hệ thống Chính việc SCADA cho hệ thống sản xuất công nghiệp phân cấp SCADA cụ thể, tuỳ vào quy mô cấp mà có yêu cầu cụ thể khác song nói chung mơi cấp SCADA phải thực dịch vụ sau:  Thu thập số liệu từ xa (qua đường truyền số liệu) số liệu sản xuất tổ chức việc lưu trữ nhiều loại sở số liệu (số liệu lịch sử sản xuất, kiện thao tác, báo động…)  Điều khiển giám sát hệ sản xuất cở sở liệu thu thập  Thực công tác truyền thông số liệu hệ (đọc/viết số liệu PLC/RTU, trả lời tin yêu cầu từ cấp số liệu, thao tác hệ) Nhìn chung SCADA mộ kết hợp phần cứng phần mềm theo mộ phương thức truyền thơng để tự động hố việc quản lý giám sát, điều khiển cho đối tượng công nghiệp Và ta nhận thấy xu tự động hố xu khơng thể tránh khỏi việc áp dụng toán SCADA việc làm tất yếu không muốn tụt hậu sản xuất Vai trò rõ dàng, SCADA giúp ta thu thập xác hệ thống từ đưa định đắn hệ, đồng thời ta dễ dàng công tác điều khiển định Việc làm giảm đáng kể việc chi phí vấn đề nhân lực, vận hành điều góp phần đáng kể việc giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh 1.2 Các ứng dụng vào thực tế so sánh lợi với hệ cũ: Các hệ thống SCADA dùng cho hệ thống điện, hệ thống xe lửa, nhà máy nước sạch, trạm xử lý nước sạch, hàng hải… Hệ thống SCADA ngành điện Việt nam chia thành ba cấp: cấp quốc gia, cấp Bắc Trung Nam cấp tỉnh Khi hệ thống trở thành phức tạp hơn, có cấp huyện Trung tâm điều độ quốc gia theo dõi điều khiển nhà máy phát điện, đường dây/trạm 500kV đường dây/trạm 220kV lớn Ba trung tâm điều độ miền theo dõi điều khiển đường dây/trạm 220kV đường dây/trạm 110kV lớn khu vực Các trung tâm điều độ cấp tỉnh theo dõi điều khiển hệ thống phân phối điện khu vực Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày thay PLC, hệ SCADA cho hệ thống điều độ điện cấp quốc gia hay miền ngày theo xu Việc xây dựng hệ thống SCADA dùng PLC đem lại lợi sau:  Kinh phí thấp nhiều  Các hệ điều khiển cũ có nhiều tủ, bảng, khố, nút ấn… Do chúng cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích.Ngồi khó khăn việc lắp đặt, kiểm định, vận hành, giám sát, bảo dưỡng Tuy nhiên công việc đơn giản sử dụng hệ SCADA dùng PLC  Các kỹ sư Việt Nam dễ tiếp cậm với công nghệ PLC khả thiết kế, nâng cấp làm chủ công nghệ dễ dàng  Mua thiết bị dễ dàng  Dễ bảo dưỡng thay thiết bị  Đặc biệt với hệ SCADA việc thu thập, lưu trữ, báo cáo, thống kê, phân tích hệ thống dễ dàng  Các hệ thống SCADA trở nên đơn giản phổ biến tương lai lẽ thiết bị lĩnh vực tự động hoá phát triển mạnh Hình 1: 1.3 Kết cấu hệ SCADA Nói cách đơn giản, hệ thống SCADA có ba phần: Các PC phòng điều khiển trung tâm, RTU( remote terminal unit) hay PLC(programable logic controller) trạm xa thiết bị thông tin để kết nối hai phần với Kết cấu phần mềm phần PC phòng điều khiển trung tâm thể bảng Hình Chúng ta thấy chức PC hệ thống SCADA tương tự phần HMI hệ thống DCS: Hiển thị, điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm, thu thập liệu, quản l ý số liệu, quản lý báo động, báo cáo Các hệ thống SCADA cũ chạy môi trường DOS, VMS hay UNIX Các hệ thống chạy Windows, Linux Thiết kế giao diện Thiết kế giao diện Thư viện sẵn có Mơi trường phát triển SCADA Lập chương Thiết kế vào trình HMI Đồ thị Hiển thị cảnh báo Kho chứa Active X ActiveX điều khiển ứng dụng thứ SCADA Client TCP/IP Chuyển đổi thành dạng CSDL có kết nối dạng ODBC Quản lý vào I/O server/OPC Quản lý xử lý liệu theo thời gian thực Dữ liệu chương trình Dữ liệu thời gian thực Dữ liệu báo động Dữ liệu trình Dữ liệu lưu trữ SQL SCADA Server PLC RTU Hình 2: Kiến trúc phần mềm Client/Server hệ SCADA a SCADA Server SCADA Sever máy Server hệ thống SCADA trung tâm nối với RTU hay PLC Trong cấu trúc phần mềm máy chủ Server có chức thu thập, chia sẻ liệu với máy Client thông qua mang Ethernet gửi mệnh lệnh từ Client trực tiếp đến điều khiển.Vì máy Server thường dùng để cài đặt phần mềm phát triển (development), thiết lập cấu hình truyền thơng để kết nối với thiết bị trường b SCADA Client SCADA Client gồm máy tính cơng nghiệp nối với máy Server mạng Ethernet Các máy tính cài phần mềm giao diện người máy (Human Machine Interface) kết nối với liệu máy Server để hiển thị điều khiển Tứ máy Client thu thập trạng thái điều khiển controller gián tiếp thông qua máy Server Mối quan hệ Client Server kỹ sư lập trình thiết lập, tuỳ thuộc vào phần mềm công nghiệp sử dụng hệ SCADA c PLC- RTU RTU định nghĩa thiết bị điều khiển vi xử lý, có khả xử lý đầu vào theo thời gian thực, thu thập số liệu báo động, báo cáo SCADA Server, thi hành lệnh SCADA Server Theo truyền thống, hệ thống SCADA thường sử dụng thiết bị RTU Nhưng ngày nay, với phát triển PLC, nhà tích hợp hệ thống thích dùng PLC thay RTU cho việc thiết kế cho nhiều hệ thống SCADA Các RTU PLC nối với I/O trạm Các đầu vào, qua RTU hay PLC cho thiết bị SCADA phòng điều khiển trung tâm biết trạng thái hệ thống trường.Thiết bị SCADA điều khiển cách thao tác đầu ra, qua RTU hayPLC Như vậy, RTU PLC thiết bị trực tiếp nối với I/O trung tâm điều khiển tín hiệu Client Client Lưu trữ Server Dữ liệu Server Controller Controller Dữ liệu Server Controller Controller Ethernet Hình 3: Kiến trúc phần cứng Client/Server hệ SCADA 1.4Phần cứng phần mềm hệ SCADA: a Phần cứng Tuỳ thuộc vào hãng chế tạo, hệ SCADA mang số đặc điểm khác nhau, nhiên nói chung phần cứng hệ SCADA gồm phần sau:  Máy tính PC với dịch vụ truyền thơng chuẩn chương trình giao diện đồ hoạ thiết kế sẵn  Các điều khiển logic có khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller)  Các transmitter/RTU số thông minh  Card mạng hệ thống cáp nối theo phục vụ cho trình thu thật điều khiển b Phần mềm Phần mềm SCADA chương trình thực nhiệm vụ cụ thể hệ SCADA Phần mềm phải có khả thu thập liệu theo thời gian thực có khả điều khiển đáp ứng yêu cầu kỹ thuật hệ thống Ngồi ra, phần mềm SCADA phải có khả kết nối mạng, chẳng hạn Internet hay Ethernet, để chuuyển báo cáo nhiều hình thức khác nhau, dạng bảng thống kê, dạng biểu đồ hay dạng đồ thị 1.5Truyền tin hệ SCADA a Các dạng truyền tin hệ SCADA Ngoài việc sử dụng máy tính cơng nghiệp, Server, thiết bị mạng… phòng theo dõi trung tâm Một phận thiếu hệ thống SCADA hệ thống truyền tin Nó liên quan đến tính ổn định xác hệ thống Vì vậy, hệ truyền tin chổntng hệ SCADA phải thoả mãn tiêu chuẩn như: giải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bô hay dị bộ, khoảng cách địa lý… Hệ thống truyền tin chọn phải tương thích với thiết bị trường máy chủ Server Một số thiết bị sử dụng để truyền liệu hệ SCADA sau: Modem RDT (Radio Data Technology) Anh quốc có loại truyền sóng Radio, vơ tuyến; thiết bị thu phát sóng Motorola, RTU, GPS Tuỳ theo mơ hình, phạm vi hệ SCADA mà ta áp dụng loại thiết bị phát huy hết tính tác dụng Hệ thống SCADA cấp quốc gia miền dùng RTU thiết kế đặc biệt cho ngành điện (theo tiêu chuẩn IEEE IEC, có khả chịu nhiễu điện từ…) Các thiết bị RTU thông minh với trung tâm điều độ qua thủ tục truyền tin IEC-870-5-101 Ngoài ra, với nhiều hệ SCADA dùng PLC dùng thủ tục truyền tin Profibus Bảng tổng kết lại dạng truyền tin thường dùng hệ SCADA: Truyền tin Kiểu truyền tin Tiêu chuẩn thường dùng Máy chủ với IDE Không đồng kiểu RS-485 trường multidrop PLC thu thập với IDE Không đồng kiểu RS-485 trường multidrop Máy chủ với máy dự Đồng kiểu multidrop Ethernet phòngDMS, EMS, DTS Máy chủ với SCADA Khơng đồng kiểu RS-232 + tải ba, modem cấp singledrop Hay Ratio 450Hz SCADA với ứng Bản tin qua nhớ DDE (Dynamic Data dụng khác Exchange) SCADA với thư Đọc/viết thư viện DLL(Dynamic Link viện Library) SCADA với hệ Quản lý cửa sổ Windows điều hành SCADA với máy in Song song, nối tiếp RS- 232, ASII b Truyền tin số c Truyền tin trường 1.6 Những yêu cầu chung hệ SCADA a Những yêu cầu chung phần cứng:  Máy tính PC dùng để thu thập điều khiển phải mang tính phổ thơng có khả giao tiếp tốt với hãng thiết bị phần cứng khác  Có hệ điều hành đa nhiệm có khả mở rộng giao tiếp dễ dàng với phần mềm phần cứng khác b Những yêu cầu chung phần mềm:  Có khả tương thích với giao thức (Protocol) thông dụng  Dễ dàng thiết kế nâng cấp cần thiết c Về dịch vụ SCADA:  Có khả thu thập, lưu trữ, sử dụng số liệu năm  Cung cấp giao tiếp giao diện dễ dàng cho người sử dụng vận hành Dể dàng cho ngươì dùng hiển thị sơ đồ đồ thị giám sát in báo cáo  Giúp thao tác điều khiển từ xa dễ dàng, nhiên phải bảo đảm thao tác điều khiển tay d Yêu cầu giá thành chi phí lắp đặt phải rẻ, hợp lý Các trạm điện 220kV lưới điện Việt Nam năm 2005 Các trạm 220kV khu vực miền Bắc Yên Bái Thái Nguyên Bắc Giang Chế độ cực đại P (MW) Q (MVAr) 50,7 50,3 55,4 Chế độ cực tiểu P (MW) Q (MVAr) -2,2 -18,2 -2,3 30,8 33,5 19,1 1,8 -8,0 -47,4 Quảng Ninh Sóc Sơn Việt Trì Tràng Bạch Phả Lại (phía 110kV) Vật Cách Hải Phòng Phố Nối Mai Động Hà Đơng Chèm Xn Mai Thanh Hố Ninh Bình Nam Định Thái Bình Nghi Sơn Vinh Hà Tĩnh Đồng Hới Huế Hồ Khánh Đà Nẵng Dốc Sỏi Llêiku Qui Nhơn Krongbuk Nha Trang Đa Nhim Đại Ninh Các trạm 220kV khu vực miền Nam Bảo Lộc Hàm Thuận 53,4 174,2 102,7 21,2 255,8 96,5 57,4 72,0 -100,4 148,0 1,2 123,2 47,6 10,0 87,8 63,6 71,0 0,4 -58,9 29,1 71,7 110,2 101,1 185,6 414,0 410,4 87,6 164,1 147,6 99,0 106,0 77,6 89,2 111,0 60,2 98,4 74,9 152,5 101,0 73,2 98,0 59,2 97,4 89,4 22,6 8,6 97,4 72,6 73,3 262,4 230,0 28,0 43,7 -24,4 44,7 64,0 29,6 8,8 18,2 37,0 88,7 -9,8 104,4 98,5 47,3 52,8 39,9 38,4 56,2 3,0 36,3 53,3 69,8 107,0 96,8 79,2 30,7 32,9 44,0 41,0 20,9 12,6 48,6 15,1 25,0 45,4 53,8 66,1 38,2 29,4 70,9 28,6 49,2 39,7 6,3 -21,9 44,1 81,0 -39,0 32,4 40,4 34,3 33,3 17,2 77,5 -50,3 -38,0 9,8 -58,5 11,6 13,3 -0,4 40,9 3,8 9,6 41,1 9,6 17,0 19,0 -13,1 Chế độ cực đại P (MW) Q (MVAr) 74,9 48,1 Chế độ cực tiểu P (MW) Q (MVAr) 39,9 29,8 26,9 18,0 10 10,6 18,9 Khái quát SCADA trạm SCADA trạm chức SCADA trạm SCADA trạm hệ thống tự động hố máy tính sử dụng transmitter/sensor thông minh để giúp việc giám sát, thu thập số liệu điều khiển hoạt động trạm Cấu trúc chủ yếu trạm gồm: máy tính làm nhiệm vụ thu thập, lưu trữ, hiển thị số liệu xử lý số liệu để điều khiển trạm, để kết nối thông tin với thiết bị đo lường điều khiển thơng minh SCADA trạm có chức sau:  Thu thập số liệu trạm bao gồm thông số(U, I, P, Q…) phần tử trạng thái thiết bị trạm(chủ yếu trạng thái máy cắt, trạng thái cầu dao, điện áp cái… )  Thực lệnh theo yêu cầu người điều hành hệ thống người trực trạm đưa SCADA điều độ cấp Việc điều khiển chủ yếu đóng cắt máy cắt điều chỉnh tăng giảm nấc phân áp máy biến áp  Cung cấp giao tiếp người - máy với người điều hành hay người trực trạm: control pannel, bảng mạch mà ta dùng để biểu thị thiết bị, thông số ta thay giao tiếp hình, chuột, bàn phím Giao diện người – máy(HMI) SCADA trạm cho phép người dùng dễ dàng việc giám sát, thu thập liệu, điều khiển, quản lý hệ thống vận hành trạm  Ghi nhận, quản lý, lưu giữ lịch sử vận hành trạm, lịch sử kiện như: báo động, cố; lưu trữ trình thao tác hệ Điều có ích việc phát sử lý có lỗi xảy  Quản lý sở liệu lịch sử trạm để phục vụ việc in báo cáo với cấp trên, gửi số liệu lên SCADA điều độ cấp  Có chế tự động tạo in báo cần thiết  Có khả truyền thơng với cấp như: nhận lệnh từ cấp đưa xuống tiến hành gửi báo cáo theo yêu cầu cấp  Truyền tin với cấp SCADA trạm transmitter, sensor, cấu chấp hành Các kiến trúc SCADA trạm Hiện thiết bị đo lường điều khiển thông minh, transmitter số hợp bộ, RTU PLC phát triển mạnh bắt đầu ứng dụng rộng dãi hầu hết ngành công nghiệp từ khu chế biến thực phẩm, nơi nhà máy xí nghiệp sản xuất mà dường trước không máy sử dụng đến thiết bị tự động hoá, khu chế xuất, khu công nghiệp số nước tiên tiến, hệ thống SCADA sử dụng RTU hay PLC ngày phát triển Tuy nhiên xu hướng 13 người ta ngày sử dụng PLC thay cho RTU ngày ưa chuộng Rất nhiều phần mềm SCADA đời với nhiều hỗ trợ cho người thiết kế hệ thống, số sản phẩm, thiết bị nhiều hãng Wonderware, Siemens, Nari… đời đưa thị trường Nói chung, phân sản phẩm thành số kiểu cấu trúc sau: Kiểu kiến trúc SCADA trạm Hệ điều hành Hệ thu thập số liệu Protocol truyền tin Giá PC/PLC Unix, Windows PLC, transmitter analog, sensor Dựa Protocol PLC Cao Sử dụng Hiện hành RTU PC/PLC/Transmitter số Unix, Windows Windows RTU, transmitter PC , transmitter analog, sensor số, sensor RS - 232 RS - 485 Trung bình đến cao Hiện hành Cao Tương lai gần a) Kiến trúc kiểu PC/PLC: sử dụng PC với PLC kết hợp với việc sử dụng hệ điều hành Unix hay Windows Nó sử dụng biến đổi, transmitter analog, sensor để thu thập số liệu Kiểu kiến trúc phù hợp việc ứng dụng vào SCADA cho trạm với quy mô nhỏ.Tuy nhiên giá thành sử dụng cao b) Kiến trúc kiểu RTU: kiểu kiến trúc dựa thiết bị đầu cuối, transmitter analog, sensor, cảm biến Các thiết bị thu thập trạng thái hệ thống đưa máy tính để xử lý số liệu thông qua điều khiển đưa xuống cấu chấp hành Kiến trúc dựa RTU thưòng ứng dụng việc SCADA trạm với quy mô nhỏ vừa Ưu điểm giá rẻ song việc lắp đặt hệ thống thiết kế không đơn giản Trong tương lai kiểu khơng sử dụng thông dụng c) Kiến trúc dựa PC/PLC/Transmitter số: Kiểu kiến trúc với máy PC coi máy chủ Slave PLC, transmitter số thông minh Các PLC transmitter số thông minh nối với thành mạng dựa chuẩn truyền tin RS – 485 Máy chủ PC làm nhiệm vụ thu thập số liệu, lệnh điều khiển, ghi nhận trạng thái, thao tác vận hành cố PC nơi hiển thị giao diện người - máy la nơi quản lý sở liệu hệ thống Kiến trúc kiểu phù hợp với trạm có quy mô lớn ngày sử dụng nhiều tương lai hệ thống quy mô trạm phức tạp Lợi ích việc sử dụng SCADA trạm 14 SCADA trạm mang lại lợi ích to lớn thiết kế, xây dựng, vận hành, bảo trì nâng cấp trạm cần mở rộng Đặc biệt tăng cường thêm chất lượng giám sát, vận hành nâng cao tính tin cậy hệ thống trạm Các lợi ích mà SCADA trạm mang lại gồm: 3.1 Lợi ích thiết kế xây dựng trạm  Giảm bớt số lượng thiết bị dự phòng  Giảm thiểu hạ tầng sở trạm bao gồm: đường cáp tín hiệu/ống dẫn dây, tủ bảng đo lường, tủ bảng điều khiển diện tích nhà điều hành trạm  Dễ dàng nâng cấp, mở rộng hệ thống điều trạm 3.2 Lợi ích vận hành  Tự động ghi nhận hoạt động ghi nhận hoạt động điều hành trạm người trực trạm lệnh điều hành cấp  Có sở liệu vận hành để dùng việc vận hành, phân tích, tính tốn với hệ thống, điều khiển thời gian thực  Giảm số lượng nhân công vận hành trạm, sở hệ thống trạm tự động hố hồn tồn điều tránh đáng kể sai sót người cơng nhân vận hành trạm 3.3 Lợi ích bảo trì hệ thống  Có sở liệu lịch sử vận hành, lịch sử thao tác trạm, báo động, thơng tin cố ln có sẵn hệ thống  Các thiết bị đo trực tiếp lập trình thơng số cấu hình, chẩn đoán, chỉnh định hệ thống…  Dễ dàng lập kế kế hoạch bảo trì thiết bị thơng qua việc phân tích sở số liệu tình trạng hoạt động thiết bị Chi phí bảo trì giảm có số liệu cụ thể hệ thống  Sơ đồ trạm quản lý máy tính nên dễ dàng việc xem xét cập nhật thay đổi mà khơng nhiều chi phí 3.4 Tăng cường tính tin cậy hệ thống  Giao diện người - máy thân thiện với giải thích rõ ràng chế kiểm tra hoạt động giảm thiểu khả tháo tác nhầm, thao tác sai người trực trạm  Tăng số lượng, chất lượng độ tin cậy việc thu thập số liệu  Cung cấp nhanh chóng xác lịch sử thao tác lịch sử vận hành trạm đê đưa nhanh chóng định hệ thống có cố xảy cần nâng cấp, bảo trì hệ thống  Trên sở có cảnh báo sớm khiến cho việc bảo trì thời hạn giảm thiểu đáng kể rủi ro hỏng hóc mang lại  Do việc thu thập số liệu thời gian thực nên cho phép thực nhanh chóng xác định xử lý tình trạng tải Những khu vực bị tải 15 nhanh chóng bù đắp hệ thống nguồn cấp dự phòng khác; điều giảm đáng kể thời gian bị điện cố qua tải hệ thống Tổ chức SCADA trạm Tổ chức SCADA Theo yêu cầu hệ SCADA, nhận thấy SCADA có đặc điểm sau: a) Hệ thống vừa truyền tin, vừa tiến hành thu thập số liệu, tính tốn, tiến hành tương tác với người dùng truyền tin với cấp tất thời gian thực b) Hệ thống có nhiều tính khác Một số đòi hỏi việc tính tốn nhiều( ví dụ việc lập báo cáo, phân tích hệ thống… ) số cơng việc lại đòi hỏi tính thời gian chặt chẽ( hệ thống đòi hỏi tính thời gian thực cao hệ thống thu thập số liệu, truyền tin cấp dưới, cảnh báo, báo động…) c) Một số tính hoạt động liên tục(ví dụ như: đo, thu thập thơng số hệ thống, truyền tin…) số tính lại hoạt động theo yêu cầu hay định kỳ nghỉ( ví dụ cơng tác in báo cáo, lập bảng biểu làm theo yêu cầu người dừng ) d) Một số tính bắt buộc phải có, số tính khác lại tuỳ chọn người dùng thêm vào hay bớt mà không làm ảnh hướng đến hệ thống Xuất phát từ đặc điểm trên, chia hệ SCADA trạm thành đối tượng hoạt động trường thông tin khác Hệ SCADA trạmd thực máy tính cá nhân PC đơn xử lý, thực đa chức năng, đa luồng cách phân chia thời gian thực luồng hoạt động thực đa tác vụ, đa xử lý thực cấp transmitter số Hệ thống SCADA trạm xây dựng từ đối tượng sau:  Đối tượng cấp trường trasmitter số thông minh, chuyển đổi, sensor cảm biến  Đối tượng thu thập  Đối tượng lập báo cáo( hiển thị in ấn báo cáo)  Đối tượng truyền tin với cấp 16  Đối tượng quản lý sở số liệu lịch sử vận hành, lịch sử kiện thao tác, cố…  Đối tượng thiết kế trang hiển thị( gồm tác vụ tasbar, bus bar…)  Đối tượng thiết kế báo cáo  Đối tượng lập cấu hình hệ thống Lựa chọn hệ điều hành Ngày kỹ thuật phần cứng máy tính phát triển mạnh mẽ Năng lực máy tính hệ Intel mà điển hình dòng chíp xử lý họ Pentium mang lại bước nhảy vọt cơng việc tính tốn, xử lý liệu phân tích hệ thống Giao diện đồ hoạ GUI( Graphical User Interface) ngày hoàn thiện, gần với người sử dụng Với hệ thống thư viên đồ hoạ khổng lồ Microsoft Windows với giao tiếp đồ hoạ chuẩn tạo nên nhiều bước ngặt lĩnh vực thiết kế giao diện Do máy tính PC đơn giản, nhỏ gọn độ tin cậy khơng băng máy tính cơng nghiệp với công nghệ điện tử máy PC đáp ứng tốt yêu cầu xử lý tính tốn q trình công nghiệp Trước người ta hay dùng hệ điều hành truyền thống Microsoft Windows MS – DOS, hệ điều hành DOS đơn giản song với quy mô trạm lớn số công việc phải thực lúc cao DOS không đáp ứng điều Hệ điều hành Windows mang lại thay đổi đáng kể Do định chọn việc phát triển phần mềm SCADA trạm dựa hệ điều hành Microsoft Windows với version Windows 2000/Windows XP với lý sau:  Microsoft Windows XP hệ điều hành thuộc vào loại tiên tiến nay, hỗ trợ đa chương trình, đa với hệ thống bảo mật nghiêm ngặt giúp bảo vệ tài nguyên hệ thống Trong hệ SCADA có nhiều chức năng, nhiệm vụ bao gồm: hiển thị đồ hoạ, tạo lập báo cáo, quản lý sở liệu, điều khiển hệ thống trạm, truyền tin… Nếu dưa tất chức vào chưong trình làm chương trình trở nên phức tạp, khả mắc lỗi rât cao Hơn việc đưa tất tác vụ vào chương trình khó khăn cơng tác quản lý công tác điều khiển hệ thống Còn lý số chức lúc sử dụng cách thường 17 xun, liên tục khơng tạo nên tính hiệu Bởi cách tốt chia nhỏ chương trình thành module nhỏ với tác vụ độc lập, chức riêng biệt chạy hệ điều hành đa nhiệm hỗ trợ đa  Microsoft Windows XP có khả quản lý nhớ lớn: khả đánh địa trực tiếp 32bit Windows cho phép đánh địa trực tiếp tới 4Gb ô nhớ đủ để đáp ứng yêu cầu phần mềm Người lập trình khơng phải bận tâm với việc thiếu nhớ  Microsoft Windows XP cung cấp cho người dùng phương thức đồng để tạo giao tiếp đồ hoạ cách dễ dàng thân thiện Băng cách lập trình thống khơng phụ thuộc phần cứng, người lập trình khơng phải bận tâm đến tính tương thích hệ thống đồ hoạ khác DOS hệ điều hành dựa dòng lệnh, khơng hỗ trợ đồ hoạ lúc SCADA làm việc phần nhiều lại đồ hoạ, việc khiến người thiết kế hệ thống SCADA phải tự xây dựng thư viên đồ hoạ cho chương trình SCADA Đây việc làm khó khăn đòi hỏi nhiều công sức tốn Trong Windows lại cung cấp hệ thống phần tử GUI chuẩn bao gồm view, dialog box, push button, pop-up mennu nhiều thư viện khác việc mang lại cho người thiết kế hệ thống nhiều việc tạo HMI thân thiện đẹp mắt mà không nhiều thời gian  Microsoft Windows XP hỗ trợ mạnh giao tiếp mạng mạng toàn cầu Internet, Ethernet công nghiệp, mạng cục LAN, WAN…Nó hỗ trợ sử dụng modem, giúp cho người lập trình dễ dàng tạo giao tiếp truyền thơng cần thiết với cơng sức bỏ  Microsoft Windows XP hỗ trợ đa phương tiện( multimedia) giúp người lập trình dễ dàng thêm vào âm hình ảnh chuyển động khiến cho giao diện HMI gần với thực tế  Microsoft Windows XP việc sử dụng phần cứng Intel sử dụng phần cứng nhiều hãng phần cứng khác Triển khai xây dựng phần mềm cho SCADA trạm Hệ thống SCADA trạm hệ thống phức tạp, bao gồm nhiều tính năng, chức nhiệm vụ khác nhau, tổ chứcdưới dạng tập hợp chương trình hoạt động có liên quan mật thiết với Mỗi module có đặc điểm riêng đòi hỏi người lập trình phải có hiểu biết định lĩnh vực cụ thể Với số hiểu biết kinh nghiệm làm việc với ngôn ngữ C/C++, định chọn hướng nghiên cứu, triển khai thiết kế SCADA trạm cho trạm điện 110kV Sơn Tây dựa việc sử dụng phần mềm SCADA công nghiệp WinCC hãng phần cứng SIEMENS Phần thu thập liệu, điều khiển giám sát hiển thị HMI có yêu cầu sau:  Hiển thị trang hình mơ tả trạm 18  Thu thập số liệu U, I, P, Q từ transmitter số theo chu kỳ đặt trước tuỳ theo yêu cầu cụ thể hệ thống  Hiển thị trạng thái máy cắt, cầu dao…  Ghi nhận kiện áp, dòng, tải…  Lưu trữ số liệu giám sát vào nhớ máy để dùng báo cáo với cấp hay dùng làm tài liệu để khắc phục lỗi có cố Trạm điện SCADA trạm SCADA hệ thống điện lực 1.1 Các cấp quản lý hệ thống điện lực Mục đích việc SCADA cho trạm điện hệ thống điện lực Việt Nam trước tiên nhằm đáp ứng nhu cầu tự động hoá số hố hệ thống điện Việt Nam Nó phản ánh bước tất yếu việc đại hoá hệ thống điện, đồng thời phản ánh trình độ kinh tế-kỹ thuật lưới điện Việt Nam Bảng tóm tắt sơ lược cấp quản lý việc phân bổ điện: Cấp quản lý Nội dung quản lý Phát truyền tải điện lực siêu cao - Phương án phân phát P, Q toàn áp 500kV xuyên quốc gia lãnh thổ quốc gia - Quản lý tần số, dự phòng ổn định tĩnh, động hệ thống điện quốc gia - Thu thập số liệu, thao tác, bảo vệ rơle, chẩn đoán, bảo dưỡng thiết bị cao áp Phát truyền tải điện đến trạm - Phương án phân bố P, Q mạng cao áp 220kV khu vực khu vực cụ thể - Phân bố điện áp 220kV trọng tâm tải dự phòng bảo vệ nguồn - Thu thập số liệu, thao tác, bảo vệ rơle, chẩn đốn hỏng hóc bảo dưỡng thiết bị Phân phối truyền tải điện Phát bù công suất phản kháng Q, địa bàn mạng 110kV phân bổ điện áp địa bàn.Thu 19 thập số liệu, thao tác, bảo vệ, chẩn đoán bảo dưỡng thiết bị Phân phối điện xuống mạng 35kV Phát bù công suất phản kháng Q trở xuống Điều khiển điện áp trung áp xa thải tải theo yêu cầu.Thu thập số liệu, bảo vệ bảo dưỡng hệ thống Cung cấp điện lực hạ áp khu dân cư Tiến hành thao tác đóng cắt, bảo xí nghiệp nhỏ vệ bảo dưỡng hệ Qua nhận thấy số điều: - Đối với mạng siêu cao áp, việc tính tốn, xử lý số liệu để từ đưa lệnh điều khiển hệ thống đòi hỏi u cầu nghiêm ngặt tính xác kịp thời việc định Nhiệm vụ thuộc trung tâm điều độ quốc gia A0 Các trung tâm phân phối điện lưới cấp miền khu vực không đảm đương việc Tuy nhiên thực tế tồn việc thu thập số liệu điều khiển thao tác lên hệ thống lại đặt xa thuộc lĩnh vực quản lý trạm Do vậy, trung tâm điều độ muốn điều khiển từ xa phải dựa hệ thống thông tin công nghiệp tốt để nhận số liệu từ cấp đưa lên lệnh cần thi hành đưa xuống cấp Việc quản lý phân phối cung cấp điện cấp cao áp thường giao cho trung tâm điều độ miền nắm giữ Các trung tâm tích cực tham gia vào việc giám sát hệ thống chia sẻ bớt gánh nặng điều khiển SCADA điều độ cấp - Đến trạm, trạm thực toàn tác vụ thu thập số liệu hệ thống, điều khiển tải lưới thực thao tác nhằm ổn định hệ thống Khi trạm tự động hố hồn tồn việc giám sát hệ thống điều khiển lưới lúc trở nên đơn giản Khi SCADA điều độ cần điều khiển thao tác xuống thiết bị phía cấp đóng cắt máy cắt cần gửi tin xuống trạm Tại trạm thông qua PLC hay RTU mà thao tác thực Hay ngược lại cần liệu hệ thống trạm SCADA điều độ cần gửi tin yêu cầu trạm gửi số liệu hệ thống lên 1.2 Các loại hình SCADA hệ thống điện Dựa vào phân tích bên ta đề hai loại hình SCADA sau: - SCADA điều độ - SCADA trạm 1.2.1 SCADA điều độ cấp quốc gia Đây trung tâm mang tính điều độ cấp cao, mang tính huyết mạch hệ thống điện Việt Nam Nó làm nhiệm vụ điều tiết tồn điện lưới SCADA điều độ quốc gia giúp cho việc phân bổ điện thông suốt khắp ba miền SCADA điều độ quốc gia đảm đương nhiệm vụ sau: - Thu thập số đo, trạng thái, tình hình phụ tải từ trung tâm điều độ miền đưa lên 20 - Trên sở số liệu thu tiến hành phân tích, nhận dạng, đánh giá đưa điều khiển tối ưu cho hệ thống phân bổ công suất ổn định dự phòng lưới Thực chất trung tâm SCADA điều độ quốc gia không trực tiếp làm nhiệm vụ thu thập số liệu hệ thống không điều khiển trực tiếp lên hệ thống mà thơng qua trạm phía để thu thập liệu điều khiền hệ thống thông qua lệnh dạng tin Sơ đồ cấp SCADA hệ thống điện Việt Nam hình vẽ 1.2.2 SCADA điều độ cấp miền Tại trung tâm điều độ miền, liệu hệ thống trạm gửi lên, với phân tích đánh giá trung tâm đưa định điều khiển tác động lên lưới nhằm mục tiêu định ổn định hệ thống SCADA điều độ miền cấp trung gian SCADA điều độ quốc gia SCADA trạm nên có số nhiệm vụ đặc trưng sau: - Thu thập số liệu từ SCADA trạm 21 - Phân tích biểu đồ phụ tải thu được, tiến hành đánh giá đưa phương án điều độ phân chia phụ tải ổn định lưới Các trung tâm điều độ miền đóng vai trò quan trọng định hướng cho SCADA trạm việc điều tiết công suất tải điều khiển hệ thống 1.2.3 SCADA trạm Đây trung tâm máy tính điều khiển mà tác động trực tiếp đến chất lượng lưới điện nơi mà tác động điều khiển trực tiếp tác động vào hệ thống điện Lưới điện ổn định bền vững hay không phụ thuộc nhiều trung tâm SCADA trạm Vậy nhiệm vụ SCADA trạm phải trực tiếp: - Thao tác điều khiển lên thiết bị hệ thống, máy biến áp… - Thu thập giám sát thơng số hệ thống - Điều khiển đóng/cắt nhằm bảo vệ hệ thống trường hợp lưới gặp cố tải, chạm chập… - Đưa liệu báo cáo với SCADA cấp phục vụ cho việc phân tích, đánh giá hệ thống cần khắc phục cố hay nâng cấp hệ thống Mạch thu thập số liệu điều khiển thiết kế bằng: - Một PLC module AI/AO, DI/DO - Một RTU với transmitter analog - Một transmitter số thông minh SCADA trạm thiết kế có bus truyền tin phục vụ cho tác vụ truyền thông sau: - Một bus truyền số liệu, truyền lệnh trường kiểu RS-485 nối PLC, RTU transmitter số thông minh với trung tâm điều khiển máy tính PC - Một bus truyền tin theo kiểu RS-323 để giao tiếp truyền thông với SCADA điều độ cấp Trung tâm điều khiển máy tính PC, tuỳ theo quy mơ trạm mà số lượng máy nhiều hay Với trạm tuỳ vào mức độ đòi hỏi độ tin cậy việc điều khiển mà ta lắp máy dự phòng Các trạm với quy mơ nhỏ ta cần dùng máy tính PC tốc độ cao, khả xử lý nhanh có dung lượng nhớ lớn đảm nhận việc trung tâm điều khiển giám sát Còn trạm lớn đòi hỏi tính an tồn cao ta nên dùng máy chuyên làm nhiệm vụ điều khiển, máy PC khác làm nhiệm vụ thu thập giám sát cần thiết dùng thêm máy chuyên thực tác vụ truyền thông Phương án kết cấu hợp lý cho SCADA trạm điện 2.1 Mục tiêu kết cấu chung Qua việc tìm hiểu hệ SCADA trạm số nơi lắp đặt qua tài liệu hướng dẫn lắp đặt SCADA trạm, việc SCADA cho trạm điện phải đạt số tiêu chí sau:  Về hệ phần mềm SCADA: 22 - Hệ phần mềm SCADA phải hệ phần mềm đa năng, đa nhiệm, có kênh truyền thơng tương thích với giao thức truyền thông phổ dụng phục vụ tốt dịch vụ cần có trạm như: in báo cáo, vẽ đồ thị, biểu đồ phụ tải - Hệ phần mềm lập trình SCADA phải dễ dàng lập trình, có tính thuyết minh rõ ràng dễ học thuận tiện việc nâng cấp trạm - Hệ điều hành dùng máy tính chủ phải hệ điều hành đa nhiệm, đa năng, có khả giao tiếp thân thiện với người dùng đặc biệt phải hỗ trợ tốt hệ phần mềm SCADA mà ta dùng để xây dựng SCADA cho trạm  Về phần cứng: - Các thiết bị phục vụ việc xử lý số liệu thu thập liệu phải thiết bị phổ thơngcó thể dễ dàng thay hỏng hóc có nhu cầu nâng cấp mở rộng quy mô trạm - Máy chủ phải máy có khả chịu mơi trường làm việc khắc nghiệt trạm điện như: tiếng ồn, bụi, nhiễu tạp âm, nhiễu điện trường…  Về dịch vụ SCADA cần phải làm: - Thu thập lưu trữ để dùng trường hợp có cố, thời gian lưu trữ tối thiểu phải năm - Cung cấp giao tiếp thân thiện dễ dàng cho người điều khiển trạm việc in báo cáo với cấp trên, đặc biệt cảnh báo, báo động có cố… - Giúp thao tác điều khiển dễ dàng đóng cắt máy cắt, tăng giảm nấc phân áp máy biến áp… đảm bảo thao tác điều khiển đóng cắt tay  Về chi phí: Hệ giá thành lắp đặt hệ SCADA cho trạm không đắt gây tốn đặc biệt hệ phần mềm SCADA phải phần mềm phổ dụng, sẵn có thị trường khơng hãng độc quyền Hơn nữa, tương lai nâng cấp trạm phải dễ dàng việc tìm kiếm thiết bị phần mềm thay 2.2 Phương án cho hệ SCADA trạm điện SCADA trạm điện có nhiệm vụ tương đối đơn giản: - Giám sát-điều khiển - Thu thập liệu thông số trạm như: I, P, Q máy cắt, trạng thái máy cắt điện áp - Chuyển số liệu lên cho SCADA điều độ cấp có yêu cầu Vì ta nên thiết kế SCADA trạm điện với kết cấu sau:  Về thiết bị phần cứng: - Máy chủ máy tính PC Pentum tốcđộ khoảng 2.8 GHz, đĩa cứng khoảng 40Gb, hình rộng hình 17inch, sử dụng hệ điều hành Windows 2000 hay Win XP 23 - Thiết bị phục vụ cho công tác đo lường điều khiển PLC với module vào số DI/DO module vào tương tự AI/AO, với transmitter số thông minh phục vụ cho việc lấy thông số P, I, Q - Truyền tin cơng nghiệp máy tính PC master với PLC/transmitter slave theo chuẩn RS-485 tốc độ19.2kbps trở lên có trang bị đủ protocol thơng dụng - Truyền tin máy PC trạm với cấp thông qua cổng COM với chuẩn truyền thông RS-232, tốc độ phải đạt tới 9.6kbps  Về phần mềm: - Phần mềm SCADA cơng nghiệp phải có tính đa nhiệm, có nhiều tính dịch vụ đặc biệt phải dễ sử dụng, thân thiện người dùng tương thích với hệ điều hành thơng dụng Windows, Linux - Các dịch vụ cung cấp phải chắn, thân thiện dễ học dễ sử dụng bao gồm: + Thu thập, quản lý, lưu trữ loại số liệu đủ lâu dễ khai thác dễ tra cứu cần + Hiển thị số liệu trang hình, trang cửa sổ, đồ thị, biểu đồ phục vụ việc in báo cáo, phát báo động + Thao tác điều khiển từ xa dễ dàng, an toàn WinCC Một chuẩn mực xây dựng HMI cho hệ thống SCADA Tại phần mềm công nghiệp WinCC lại ứng dụng nhiều hệ thống phức tạp, nhiều chủng loại thiết bị hệ thống SCADA? Một đặc trưng bật sản phẩm phần mềm cơng nghiệp SIEMENS kết nối ổn định với hầu hết điều khiển, RTU thiết bị truyền thông khác Cơ sở liệu mở, dễ lập trình ln ln cập nhật, điều nói lên nhà thiết kế, người dùng độc lập hoàn toàn với thiết bị, thuận lợi cho việc nâng cấp triển khai dự án Dưới thông tin phần mềm công nghiệp SIEMENS Tổng quát Giao diện người máy WinCC thiết kế dạng kéo thả dễ dàng để mô tả biểu tượng đối tượng điều khiển trình cơng nghiệp Nó cung cấp cho kỹ sư lập trình mơi trường khai triển dễ dàng sử dụng chức bao quát để tạo thí nghiệm kiểm tra triển khai cách nhanh chóng ứng dụng tự động hố mạnh mẽ Phần mềm WinCC phần mềm ứng dụng cho SCADA với giao diện người máy (HMI: Humman machine Interface) mở linh hoạt đảm bảo tính linh động thiết kế ứng dụng khách hàng kết nối đến phổ chức rộng thiết bị tự động hố cơng nghiệp Tính mạnh mẽ linh hoạt 24 Phần mềm WinCC HMI tạo cho người sử dụng khả tính linh hoạt cao mà giao diện ngưòi trình ứng dụng ngày cần đến SIEMENS đầu tư nhiều cho nghiên cứu phát triển để đảm bảo tạo sản phẩm mới, mạnh mẽ sáng tạo Kết là: doanh nghiệp tập trung vào tiến hành công việc sản xuất kinh doanh kỹ sư tiến hành thiết kế, nâng cấp hay sửa chữa Phần mềm WinCC cung cấp cho người sử dụng môi trường phát triển linh hoạt cấu trúc đa cho phép tạo ứng dụng nhanh co kịch tự động hoá Phần mềm WinCC triển khai thuận lợi máy tính cá nhân PC(Personal Computer) hay máy tính cá nhân cơng nghiệp IPC(Industry Personal Computer) cấu trúc Server/Client phân tán Tính dễ sử dụng WinCC cho phép người dùng sử dụng nhanh chóng tạo triển khai biểu diễn đồ hoạ q trình cơng nghiệp theo tính thời gian thực  Giao diện đồ hoạ Người sử dụng phát triển đồ hoạ môi trường Windows, nhiều công cụ bao gồm: thành phần đồ thị chuẩn, biểu tượng, hình ảnh dạng bitmap ActiveX controls Một thư viện đồ hoạ cao cấp có chứa hàng ngàn hình ảnh thiết bị cơng nghiệp cấu hình trước, điều khiến cho người sử dụng đơn giản việc đưa hình ảnh vao giao diện  Trình soan thảo mạnh Người sử dụng nhanh chóng triển khai trình soạn thảo lập trình báo cáo, thiết kế báo động, cảnh báo ngăn ngừa lỗi chạy(Runtime errors)  Khả kết nối cao WinCC cho phép người dùng sử dụng liên kết thực với thiết bị điều khiển, tự động hố cơng nghiệp mà thông qua I/O Server Khả giao tiếp với hãng sản phẩm thứ dễ dàng chẳng hạn điều khiển thông dụng hãng lớn như: Wonderware, Modicon, AlleyBradley, Square D… Cấu trúc-phát triển hệ thống bảo dưỡng dễ dàng  Tính độc lập Các ứng dụng WinCC cài đặt môi trường độc lập_ may tính PC Điều hữu ích doanh nghiệp, đơn vị sản xuất kinh doanh nhỏ không cần đến nhiều trạm điều hành khác để xem xét điều khiển q trình cơng nghiệp mà cần với máy PC làm điều  Server/Client 25 Các úng dụng WinCC cài đặt vào mơi trường chủ khách Phương pháp tiết kiệm thời gian tiền bạc cho doanh nghiệp việc bảo dưỡng quản lý phần mềm Các đặc điểm lợi ích  Được thiết kế cho Windows 2000 Win XP  Tính bảo mật cao: Nó cho phép người quản lý hệ thống cho User truy cập tham gia vào module cụ thể định hệ thống Chính việc han chế User phạm vi trách nhiệm thảm quyền  Các tuỳ chọn quan sát báo động, đặc điểm phụ lợi ích: Hiểu biết báo động hệ thống khả để nhận biết chúng cách kịp thời tiết kiệm thời ngừng sản xuất, vận hành quý giá doanh nghiệp Ngưòi vận hành cần phải xem xét báo động theo dõi xuất thời gian tồn trình vận hành để giảm thiểu giải thích tổn thất Hơn nữa, ta khơng biết báo động, cảnh báo thời mà thể truy lục vào thơng tin lịch sử báo động nữa.Điều giúp ích nhiều việc khắc phục cố  Các cải thiện báo động: - Thừa nhận báo động: Chúng ta thiết kế hệ thống báo động theo dạng có điều kiện hay báo động có định hướng trước - Tính linh hoạt báo động: Các báo động phép hay bị cấm trực tiếp gián tiếp cách sử dụng tag cấm báo động điều khiển toàn chương trình ứng dụng Cấm báo động áp dụng với loại báo động đơn, tags nhóm để cấm hiển thị thơng tin báo động nút quan sát cụ thể Sự cấm tồn hệ thống ngăn chặn hoạt động báo động nguồn - Thời gian phát báo động: Từ cố thật xảy phát báo động thởi gian tính miligiây - Cơ sở liệu báo động: Dùng hệ quản lý sở liệu Microsoft SQL để lưu trữ thông tin hệ thống thao tác vận hành hệ, báo cáo cố… Những yêu cầu hệ thống sử dụng phần mềm WinCC 6.0 - Máy tính Pen III 733 Mhz - 128 Mb of RAM - Kb tags - Gb free hard disk space Tuy nhiên tốt nên sử dụng máy tính với cấu hình sau: - Máy tính Pen IV 1.8Ghz trở lên - 256 Mb of RAM trở lên - Hệ điều hành Microsoft Windows 2000 professional Microsoft Windows XP SP1 hay SP2 - Hệ quản lý sở liệu SQL 2000 26 27 ... điện SCADA trạm SCADA hệ thống điện lực 1.1 Các cấp quản lý hệ thống điện lực Mục đích việc SCADA cho trạm điện hệ thống điện lực Việt Nam trước tiên nhằm đáp ứng nhu cầu tự động hoá số hoá hệ. .. điều độ hệ thống điện Việt Nam Quá trình phát triển công nghệ điều khiển hệ thống điện: Từ năm 1970, hệ thống máy tính ứng dụng rộng rãi trung tâm điều độ hệ thống điện lớn giới Lúc đầu, hệ thống. .. điều khiển hệ thống phân phối điện khu vực Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày thay PLC, hệ SCADA cho hệ thống điều độ điện cấp quốc gia hay miền ngày theo xu Việc xây dựng hệ thống SCADA dùng PLC