Giải pháp đo mực nước hồ chứa thủy điện dùng cảm biến đo khoảng cách bằng chùm tia laser

Quan trắc mực nước hồ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với nhà máy thủy điện trong vận hành và điều tiết hồ chứa. Hạn chế sai số đo mực nước giúp các chủ hồ thủy điện quản lý hiệu quả hơn nguồn nước cấp cho hạ du trong mùa kiệt, tính toán chính xác diễn biến lưu lượng về hồ và dung tích phòng lũ trong mùa mưa lũ, góp phần điều tiết - xả lũ các hồ chứa một cách hợp lý, hạn chế tối đa những thiệt hại do mưa, lũ gây ra.

PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 287 GIẢI PHÁP ĐO MỰC NƯỚC HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN DÙNG CẢM BIẾN ĐO KHOẢNG CÁCH BẰNG CHÙM TIA LASER Trần Kỳ Hải, Tạ Đức Thọ Công ty Thủy điện Buôn Kuốp – Tổng công ty Phát điện Tóm tắt: Quan trắc mực nước hồ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng nhà máy thủy điện vận hành điều tiết hồ chứa Hạn chế sai số đo mực nước giúp chủ hồ thủy điện quản lý hiệu nguồn nước cấp cho hạ du mùa kiệt, tính tốn xác diễn biến lưu lượng hồ dung tích phịng lũ mùa mưa lũ, góp phần tiều tiết - xả lũ hồ chứa cách hợp lý, hạn chế tối đa thiệt hại mưa, lũ gây Tình hình chung thiết bị quan trắc mực nước kiểu áp lực nhúng chìm lắp hồ chứa Công ty quản lý làm việc thời gian đầu, theo thời gian thiết bị làm việc khơng cịn xác, cho dù thiết bị tăng cường công tác kiểm tra, hiệu chuẩn Điều gây khó khăn cho cơng tác quan trắc hồ chứa, đặc biệt hồ chứa có dung tích lớn (dung tích hữu ích 522,6 triệu m3) độ thay đổi mực nước lớn (22,5 m) có chế độ điều tiết năm hồ Bn Tua Srah Trong mùa mưa lũ cần mực nước hồ sai từ đến cm gây sai số tính tốn lưu lượng nước hồ lên đến hàng trăm m3/s; Như vậy, nhu cầu đặt cần thiết bị đo có độ xác cao ổn định theo thời gian Việc tiếp tục sử dụng cảm biến áp lực cho thấy khơng cịn đem lại hiệu kinh tế - kỹ thuật Trong kỹ thuật đo khoảng cách chùm tia laser ngày hồn thiện độ xác giá thành cảm biến ngày giảm Do đó, chúng tơi thay đổi phương pháp đo mực nước, chuyển từ kiểu đo áp lực sang kiểu đo khoảng cách sử dụng chùm tia laser GIỚI THIỆU Theo thiết kế cũ, ba nhà máy thủy điện Buôn Tua Srah, Buôn Kuốp, Srêpốk Công ty quản lý trang bị cảm biến đo mực nước kiểu áp lực nhúng chìm dạng màng Nguyên lý đo dựa biến dạng màng cảm biến áp lực (vật liệu Ceramic 316L) chuyển đổi thành tín hiệu điện Trong suốt năm năm vận hành, thiết bị có ưu, khuyết điểm sau:  Ưu điểm: Thiết bị nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng, thường lắp lỗ khoan ống đặt sẵn Độ xác 0,001 ~ 0,05% tồn dải đo, tín hiệu đầu ~ 20 mA kết nối đến PLC thuận tiện công tác đo lường giám sát từ xa  Khuyết điểm: Nguyên lý đo mực nước gián tiếp qua đo cột áp thủy tĩnh có độ xác phụ thuộc vào màng cảm biến áp suất suy giảm sau thời gian dài làm việc Nguyên nhân gây sai biệt màng áp lực bùn, phù sa (lắng bám lên bề 288 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 mặt lớp màng); mạch bù nhiệt độ môi trường chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số PLC Do đó, thường xun bảo trì hiệu chuẩn tín hiệu trả sai lệch so với thủy chí Hình 1: Mơ hình ngun lý đo áp lực cảm biến dạng màng Quan sát việc đo độ võng dầm cầu trục thước đo laser, thiết bị đo khoảng cách chùm tia laser mà kết phép đo xác tới mm Đây lý thay đổi phương pháp mực nước truyền thống từ kiểu đo áp lực sang kiểu đo khoảng cách sử dụng chùm tia laser NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Máy đo khoảng cách laser sử dụng chùm tia laser để xác định khoảng cách đến đối tượng Hình thức phổ biến máy đo khoảng cách laser hoạt động dựa nguyên tắc thời gian bay (TOF1) cách gửi xung laser dạng chùm tia hẹp hướng thẳng đến đối tượng đo thời gian từ lúc phát xung đến lúc nhận xung phản xạ từ mục tiêu c.TOF , đó: c = 300.000 m/s tốc độ ánh sáng, không thay đổi theo nhiệt độ độ ẩm Khoảng cách tính sau: L = Khi ánh sáng tác động vào đối tượng, tín hiệu phản hồi đo phần nhỏ tín hiệu ban đầu Năng lượng cịn lại phản xạ theo hướng khác phụ thuộc vào đặc tính bề mặt góc tới chùm sóng hấp thụ xuyên qua đối tượng Nếu góc tiếp cận nguồn phát tín hiệu lớn giá trị ngưỡng lượng phản xạ bị lệch hướng vùng thu TOF (Time of Fly): Thời gian bay PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 289 (1) Cảm biến laser (2) Mặt bích lắp thiết bị (3) Ống dẫn hướng (4) Phao phản xạ (5) Côn tiết lưu Hình 2: Mơ hình đo Qua q trình thử nghiệm, nhận thấy chiếu chùm tia laser tới đối tượng phản xạ chất lỏng có chiết quang cao gây sai số lớn Vì ánh sáng bị khúc xạ qua bề mặt làm tăng TOF Để khắc phục điều này, tạo bề mặt phản xạ gắn phao Thêm vào để có góc phản xạ tốt bề mặt phản xạ phải vng góc với đường cao hình nón tạo chùm tia, để chống kẹt phao mực nước thay đổi phương pháp lắp ống đo thẳng đứng tốt Độ xác phụ thuộc vào mạch định thời Với kỹ thuật định thời chế tạo mức pico giây cho phép xác định đối tượng cự li 50 m với sai số ±2,5 mm; Trong ba hồ thủy điện công ty quản lý, hồ Bn Tua Srah lớn mực nước thay đổi lên đến 25 m Do vậy, chọn tầm đo 30 m, từ tính ngược bia phản xạ có kích thước 90 x 90 mm, đường kính phao 114 mm dùng ống thép phi 150 thích hợp; Để bù sai số đo, người ta thường lấy giá trị trung bình nhiều phép đo lặp lại cho chất lượng tín hiệu mức chấp nhận Đối với mặt hồ thường có sóng lớn gió mạnh, để triệt tiêu dao động chế tạo phao rỗng đổ cát để có mớn nước phù hợp, cuối ống dẫn hướng thắt lại tạo thành tiết lưu Vì vậy, phao ổn định ống bất chấp sóng đánh bên ngồi (xem Hình 2) Cơng thức tính mực nước: = − + ∆ , cao trình mặt bích, khoảng cách cảm biến đo ∆ tổng khoảng cách gồm mớn nước từ mặt bích đến đầu thu phát 290 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Bằng thực nghiệm, thấy phép đo laser ưu trả tín hiệu analog ~ 20 mA PLC Vì sai số lúc gồm có sai số chuyển từ tín hiệu số sang tương tự cảm biến (sai số DAC - Digital to Analog Converter) sai số chuyển ngược lại từ tương tự sang số module AI kết nối với PLC hệ thống SCADA Do đó, cách tốt đọc trực tiếp tín hiệu số từ cảm biến Tuy nhiên, nhà sản xuất đưa khung liệu riêng biệt, khơng có kiểm tra sai số đường truyền khơng tương thích với chuẩn Modbus RTU phổ biến hệ thống SCADA Hình 3: Yêu cầu lắp đặt bề mặt phản xạ cảm biến VDM100-50 hãng Pepperl+Fuchs Hình 4: Mạch dịch mã Để giải vấn đề trên, mạch dịch mã (xem Hình 4) chèn cảm biến PLC Nhiệm vụ chuyển toàn liệu sang chuẩn Modbus để hệ thống hữu đọc Đây đơn mạch điện tử, viết chương trình cho vi xử lý đọc PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 291 tín hiệu đầu vào từ cảm biến, lọc lấy giá trị đo lường, chuyển giá trị đọc cảm biến sang giao thức modbus - RTU trước gửi lên PLC ỨNG DỤNG VÀ KẾT QUẢ Qua q trình thí nghiệm vận hành, thấy kết đo mực nước sử dụng cảm biến laser tốt cảm biến áp lực vị trí đặt 271.8 271.7 271.6 271.5 271.4 271.3 271.2 271.1 271 270.9 Laser Pressure 15/1/8h30 18/1/7h00 20/1/1h00 20/1/13h00 21/1/1h00 21/1/13h00 22/1/13h00 23/1/1h00 23/1/13h00 24/1/13h00 25/1/7h00 25/1/19h00 26/1/07h00 26/1/13h55 27/1/7h00 27/1/19h00 27/1/13h00 28/1/7h00 29/1/1h00 29/1/13h00 31/1/1h00 Thủy chí Hình 5: Đồ thị quan hệ mực nước theo thời gian sử dụng cảm biến laser, áp lực, thủy chí Qua đồ thị cho thấy, thiết bị đo mực nước laser cho độ tuyến tính, xác hẳn thiết bị đo mực nước kiểu nhúng chìm Trong cảm biến áp lực số thời điểm có giá trị đo vọt lố Bề mặt phản xạ hẳn mặt nước 35 mm (mớn nước) nên không bị ướt mặt gây sai số đo Kết cấu phía ống dẫn hướng giúp triệt tiêu dao động khiến phao khơng bị dập dềnh Hình 6: Hệ thống đo mực nước hồ chứa NMTĐ Srêpôk 292 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 Sau 1,5 năm đưa vào vận hành hồ chứa NMTĐ Srêpơk (Hình 6) Hệ thống đo nước kiểu laser cho thấy hoạt động tin cậy, xác cao khơng phải hiệu chỉnh nhiều lần Từ kết đạt được, triển khai lắp đặt NMTĐ Buôn Kuốp Buôn Tua Srah vào năm 2016 (xem Hình 7) Hệ thống đo mực nước cảm biến đo khoảng cách sử dụng chùm tia laser Công ty Thủy điện Buôn Kuốp công nhận sáng kiến cấp Công ty năm 2016 Hồ Bn Tua Srah Hồ Bn Kuốp Hình 7: Hệ thống đo mực nước hồ chứa NMTĐ Buôn Kuốp Buôn Tua Srah KẾT LUẬN Hệ thống đo mực nước kiểu laser làm việc ổn định, khắc phục hồn tồn tình trạng trơi điểm hiệu chỉnh nhiều lần cảm biến áp lực Các thơng số cao trình mặt bích, mớn nước cài đặt chương trình thu thập liệu (SCADA) lần suốt qua trình làm việc Tồn cảm biến, mạch dịch mã nằm bờ thuận tiện công tác kiểm tra, bảo dưỡng Nhờ việc cải thiện độ xác quan trắc mực nước, Cơng ty thiết lập website quan trắc thông số vận hành hồ chứa (tại địa http://buonkuop.vn/pclb) nhằm cung cấp thơng tin đến quyền, tổ chức nhân dân địa bàn phục vụ sản xuất nông nghiệp, vận tải đường sơng phịng chống thiên tai PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 293 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Atmega128 Atmega128L Preliminary datasheet bit AVR with 128K byte in system programmable flash; Rev 2467E-AVR-05/02; Atmel Corporation [2] Manual Distance measurement devices VDM100/G2; TDOCT3132_ENG; 08/2013 Pepperl+Fuchs GmbH [3] Low-power, Slew-rate-limited RS-485/RS-422 Transceivers; Maxim intergrated products 2009 [4] S85-MH-5-Y Instruction manual; 821002573 rev.C; Datalogic automation srl [5] S85 RS-485 serial interface configuration; Datalogic automation srl [6] Wiring RS-485 networks Revision A; RS-485 HIG Rev A ENG-US www.controlsoft.com [7] Modbus over serial line specification & implementation guide V1.0; 12/02/02; www.Modbus.org [8] Modbus protocol; www.http://www.modicon.com/techpubs/toc7.html [9] Modicon modbus protocol reference guide; PI-MBUS-300 Rev.J; Modicon, inc [10] Modbus RTU serial communications user manual; 51-52-25-66 Rev.T 03/2013; Honeywell process solutions [11] AC 800M communication protocols; System version 5.1; ABB control systems [12] LM2576/LM2576HV series simple switcher 3A step-down voltage regurator; SNVS107B 08/2004; Texas Instruments  ... thống đo mực nước cảm biến đo khoảng cách sử dụng chùm tia laser Công ty Thủy điện Buôn Kuốp công nhận sáng kiến cấp Công ty năm 2016 Hồ Buôn Tua Srah Hồ Bn Kuốp Hình 7: Hệ thống đo mực nước hồ chứa. .. kiểu đo áp lực sang kiểu đo khoảng cách sử dụng chùm tia laser NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Máy đo khoảng cách laser sử dụng chùm tia laser để xác định khoảng cách đến đối tượng Hình thức phổ biến máy đo khoảng. .. nguyên lý đo áp lực cảm biến dạng màng Quan sát việc đo độ võng dầm cầu trục thước đo laser, thiết bị đo khoảng cách chùm tia laser mà kết phép đo xác tới mm Đây lý thay đổi phương pháp mực nước truyền