Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN Mà SỐ : TÔ TUẤN ANH Người hướng dẫn khoa học: GS.VS.TSKH TRẦN ĐÌNH LONG H NI 2006 Luận văn Cao học -1- Mục lục Trang Mục lục Danh mục hình vẽ, đồ thị Lời nói đầu Chương Giới thiệu tổng quan tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp 1.1 Tổng quan hệ thống tự động điều khiển trạm biến áp 1.2 Hệ thống thiết bị 10 1.3 Hệ thống liệu 12 Chương Cấu trúc mạng thông tin điện lực 2.1 Giới thiệu .14 2.2 Mạng thông tin điện lực 15 2.2.1 Sự xuất đặc điểm mạng thông tin điện lực 15 2.2.2 Quá trình hình thành hệ thống thông tin chuẩn hoá thống 16 2.2.3 Thiết kế mạng tương lai .19 2.2.4 Nh÷ng vÊn đề khác liên quan đến mạng thông tin điện lực …21 2.3 C¸c chuÈn giao thøc ………………… ………………………… 26 2.3.1 Khái niệm . 26 2.3.2 Lớp giao thức thông tin………………………… ………………… 27 2.3.3 Giao thøc OSI………………………………………… …………….29 2.3.4 Giao thức TCP/IP 33 Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học -2- 2.4 Các hệ thống thiết bị mạng thông tin 36 2.5 Liên kết thông tin IEDs 38 2.5.1 Khái niệm dạng liên kết 38 2.5.1.1 Liên kết hình 39 2.5.1.2 Liên kết nhiều điểm. 39 2.5.2 Kết nối trạm điện.44 2.5.2.1 Đặc điểm thông tin trạm điện. 44 2.5.2.2 Các thông số đặc tính kỹ thuật cáp nối EIA-232, EIA-485 cáp quang.. 45 2.5.2.3 ứng dụng EIA-232, EIA-485 cáp quang mạng cấu trúc hình Bus 45 Chương Hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biÕn ¸p-SAs 3.1 Giíi thiƯu .49 3.2 CÊu tróc thành phần hệ thống SAS.52 3.2.1 Khối điều khiển trung tâm 52 3.2.1.1 Bé xö lý – CPU 52 3.2.1.2 Bé xư lý th«ng tin MCP 56 3.2.1.3 Bé xö lý thông tin sở CP 63 3.2.1.4 Khối vµo I/O…………………………………………….….……64 3.2.1.5 Bé nhËn tÝn hiƯu thêi gian……………………………………… 76 3.2.2 Máy tính kỹ thuật đặt cấu hình phần cứng cho SAS. 76 3.2.3 Giao diện người máy trạm..83 3.2.4 Thiết bị điện thông minh IEDs. 83 Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học -3- 3.2.4.1 Rơ le kỹ thuật số.84 3.2.4.2 Công tơ ®iƯn tư nhiỊu biĨu gi¸ 87 3.3 Hoạt động SAS 91 3.3.1 Chương trình khởi động hoạt động hệ thống khởi động 91 3.3.2 Quá trình truyền liệu .93 Ch­¬ng Đánh giá thực trạng SAS Việt Nam đề xuất 4.1 Thực trạng ứng dụng SAS trạm biến áp từ 220kV trở lên phía B¾c VÝ dơ thĨ ……………………………… ………106 4.2 TriĨn väng phát triển Một số đề xuất.115 Tài liệu tham khảo .117 Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao häc -4- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ H×nh 2.1 Trạm LAN mức xử lý LAN Hình 2.2 Thiết kế trạm thực tế với ứng dụng mở rộng với kết nối bên WAN, Internet Hình 2.3 Nguyên tắc xử lý giao thức theo mô hình lớp Hình 2.4 Giao thức OSI Hình 2.5 Mạch vòng kh«ng tÝch cùc Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống SAS Hình 3.2 Bố trí mặt trước CPU Hình 3.3 MCP modul cộng thêm Hình 3.4 Bố trí mặt trước MCP Hình 3.5 Modul cộng thêm XC2 Hình 3.6 Modul cộng thêm XF6 Hình 3.7 Bộ xử lý thơng tin sở Hình 3.8 Ngun lý làm việc input Hình 3.9 Sơ đồ đấu nối DI Hình 3.10 Sơ đồ đấu nối AI-32 6MD1031 (Modul đầu vào tương tự-trạng thái tĩnh) Hình 3.11.Sơ đồ đấu nối AI-16 6MD1032 (Modul đầu vào tương tự - rơle) Hình 3.12 Nguyên lý hoạt động AI32 Hình 3.13 Nguyên lý hoạt động AI16 Hình 3.14 Sơ đồ đấu nối CO-6MD1022 Hình 3.15 Nguyên lý hoạt động lệnh đầu modul CO Hình 3.16 Sơ đồ đấu nối modul CR 6MD1023 Hình 3.17 Cơng cụ đặt cấu hình SC Hình 3.18 Cấu trúc dự án Nghiªn cøu hƯ thèng tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học -5- Hỡnh 3.19 Cấu hình khối điều khiển trung tâm – SC Hình 3.20 Thư viện điều khiển mức ngăn Hình 3.21 Ví dụ chức thơng tin bảo vệ khoảng cách Hình 3.22 Thư viện điều khiển xa Hình 3.23 Chức CFC Hình 3.24 Cấu trúc rơ le kỹ thuật số Hình 3.25 Sơ đồ khối cơng tơ điện tử nhiều biểu giá Hình 3.26 Cấu trúc mở hệ thống tự động điều khiển Hình 3.27 Truyền liệu xử lý thông tin Hình 3.28 Dữ liệu thu chế độ yêu cầu Hình 3.29 Dữ liệu thu nhận chế độ hình ảnh Hình 3.30 Nguyên lý hoạt động đầu thơng qua Modul CO Hình 3.31 Ngun lý hoạt động đầu thông qua modul CO DI Hình 3.32 Ngun lý hoạt động đầu thơng qua modul CO CR Hình 3.33 Nguyên lý hoạt động đầu thông qua modul CO, CR DI Hình 4.1.Hệ thống thiết bị sơ cấp trạm với 01 máy biến áp 125MVA Hình 4.2 Màn hình sơ đồ hệ thống điều khiển trạm Hình 4.3 Màn hình hệ thống bảo vệ Hình 4.4 Thiết bị điện thơng minh : Rơle khoảng cách 7SA52 Transducer Hình 4.5 Bộ điều khiển ngăn lộ 6MD664 Hình 4.6 Bố trí điều khiển trung tâm SC tủ kết nối Hình 4.7 Hệ thống máy tính Hình 4.8 Phịng điều khiển trạm Hình 4.9 Màn hình điều khiển phía 220kV Hình 4.10 Màn hình điều khiển máy biến áp AT1 Hình 4.11 Màn hình điều khiển ngăn lộ máy cắt vịng phía 110kV Nghiªn cøu hƯ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học -6- Lời nói đầu Cụng ngh thụng tin v t ng hoỏ ngày ứng dụng rộng rãi tất lĩnh vực xã hội Khơng nằm ngồi tiến trình phát triển đó, Điện lực Việt Nam có bước tiến mạnh mẽ, đặc biệt việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin tự động hố vào việc điều hành, quản lý bảo vệ hệ thống điện Việt Nam Hệ thống điện gồm nguồn phát nhà máy điện, hệ thống lưới truyền tải, hệ thống lưới phân phối phụ tải tiêu thụ điện, chúng có quan hệ gắn bó với thành thể thống nhất, bị phá vỡ xảy hậu nặng nề cho toàn hệ thống nói riêng cho kinh tế nói chung Chính địi hỏi vấn đề quản lý, giám sát, điều khiển vận hành hệ thống an toàn, tin cậy cần thiết Song song với phát triển hệ thống điện đại, thiết bị điện chế tạo dựa công nghệ tiên tiến, vấn đề quản lý, giám sát, điều khiển vận hành hệ thống điện không ngừng phát triển với trợ giúp thiết bị tự động, thiết bị truyền tin, thiết bị điều khiển từ xa, hệ thống tự động điều khiển, giám sát bảo vệ hệ thống điện Hệ thống tự động điều khiển trạm biến áp khơng cịn khái niệm mẻ kỹ sư, cán kỹ thuật, sinh viên…ngành Hệ Thống Điện Vì việc nghiên cứu cách chi tiết đặc điểm, cấu trúc hoạt động hệ thống nhằm phục vụ cho việc ứng dụng chúng thực tế cần thiết Tên luận văn : “ Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp - SAS ” Luận văn chia thành chng : Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học -7- Chng gii thiu mt cách tổng quát hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Chương đề cập đến vấn đề mạng thông tin điện lực, chuẩn giao thức, hệ thống thiết bị mạng kết nối mạng Chương trình bày chi tiết hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp - SAS, cấu trúc, thành phần hoạt động SAS Chương chương cuối luận văn, đánh giá thực tế trình sử dụng SAS trạm biến áp phía Bắc, cụ thể Trạm biến áp 220kV Bắc Ninh số đề xuất Kiến thức hệ thống tự động điều khiển, bảo vệ rộng, thời gian làm việc cho luận văn cao học tương đối ngắn, khơng tránh khỏi thiếu sót luận văn này…Rất mong nhận giúp đỡ, góp ý thầy, mơn Hệ thống điện - Trường ĐHBK Hà Nội bạn đọc ngồi ngành điện Tơ Tuấn Anh Nghiªn cứu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học -8- Chương Giới thiệu tổng quan tự động điều khiển, bảo vệ TRạM BIếN áP đại 1.1 Tỉng quan vỊ hƯ thèng tù ®éng ®iỊu khiĨn trạm biến áp Hệ thống tự động điều khiển hệ thống điện dựa sở hệ thống truyền thông công nghệ số kết phát triển vượt bậc lĩnh vực tự động hoá Dựa mạng thông tin điện lực, người ta đưa tiêu chuẩn chung tạo điều kiện phối hợp hoạt động thiết bị điện thông minh (IEDs), máy tính trạm thiết bị điều khiển giám sát cấp độ cao hơn, làm cho hệ thống bảo vệ, điều khiển giám sát hệ thống điện hiệu quả, tiết kiệm có nhiều tiện ích nhiều, đặc biệt vấn đề liệu Trong hệ thống tự động điều khiển hệ thống điện nói chung phải kể đến hệ thống tự động điều khiển trạm biến áp Nó định nghĩa giao diện với thiết bị trạm thiết bị điện thông minh (IEDs) cho phép liên kết mạng trao đổi liệu hệ thống, người sử dụng trạm Một hệ thống tự động điều khiển trạm biến áp thường bao gồm phần tử sau : Các thiết bị điện thông minh (IEDs) : Đây thiết bị sử dụng công nghệ số Ưu điểm chúng lớn ưu điểm lớn thông tin Trong trạm biến áp IEDs thường sử dụng bảo vệ kỹ thuật số, thiết bị đo lường kỹ thuật số, công tơ điện tử, transducer Các khối vào mức ngăn : Các thiết bị làm nhiệm vụ liên lạc trực tiếp từ thiết bị điện thông minh lên xử lý trung tâm Bộ xử lý chủ (trung tâm) trạm : Đây giao diện liên lạc trung tâm khối xử lý mức ngăn (I/O Transducer) Bộ xử lý hoạt động Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học -9- xử lý chủ chỗ để lưu liệu, tính toán, điều khiển, hiển thị thông tin trạm khuôn dạng khác giao diện người sử dụng chỗ (UI), cất giữ thông tin cho công việc phân tích tương lai lưu trữ ghi Mạng cục bé t¹i tr¹m (LAN – Local Area Network) : LAN liên kết phần tử hệ thống tự động điều khiển với thiết bị điện thông minh (IEDs) Các giao diện hệ thống liên lạc : Giao diện với thiết bị điện thông minh IEDs trạm nhằm dịch thủ tục IEDs sang thủ tục chung LAN phục vụ dịch vụ truy nhập, giao diện với hệ thống thông tin điện lực bên trạm Trao đổi thông tin với hệ thống khác người sử dụng từ xa kỹ sư điều phối điều độ Giao diện víi ng­êi sư dơng (HMI) : Cho phÐp ng­êi vËn hành trạm biến áp truy nhập, phát triển bảo dưỡng hệ thống liệu thực thao tác điều khiển ghi nhận kiện, cố thiết bị điện trạm Tính tự động hệ thống thể khả sau : - Bảo vệ hệ thống điện - Ghi chơp sù cè, chØ thÞ sù cè - Đo lường giá trị - Điều khiển thiết bị theo vị trí : chỗ, bảng điều khiển, trạm từ xa - Tự động đưa bảo vệ vào làm việc tách - Giám sát liên động, điều khiển trình - Đồng thời gian IEDs - Phân tích định kỳ thiết bị - Hiển thị điều kiện làm việc thiết bị - Chỉ thị hư hỏng máy cắt giải trừ - Tự động đóng lặp lại Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 104 - Đầu vào chế độ yêu cầu thông qua modul CO, CR DI Hình 3.33 Nguyên lý hoạt động đầu thông qua modul CO, CR DI - Lệnh đầu việc đến từ xử lý thông tin MCP từ HMI phát từ biểu đồ CFC Nghiªn cøu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 105 - - Khối CFC bổ sung thông tin cho đầu việc ghi thơng tin vào nhớ APA modul CO Sau khối CFC khởi động chức giám sát thời gian - Modul CO đọc ghi liệu kích hoạt rơ le đầu với tham số hoạt động Sau xác nhận việc - Khối CFC sau gửi lệnh yêu cầu tới modul CR để kiểm tra cách điện mạch đầu lệnh Modul CR kiểm tra trở kháng mạch đầu lệnh gửi trả lại kết kiểm tra tới khối CFC - Sau modul CO lựa chọn để khởi động thời gian đầu Modul CR dẫn để đặt nhả cho khoảng thời gian thời gian đầu modul DI thị để đợi phản hồi trình - Modul DI đưa phản hồi qúa trình tới CFC Modul CO CR dẫn CFC để xác lập lại rơle đầu Sau chúng gửi trở lại xác nhận chúng - Khối CFC đánh giá thừa nhận gửi tới HMI và/hoặc MCP với tham số Và xác lập lại giám sát thời gian Nghiªn cøu hƯ thèng tù động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 106 - CHNG ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG SAS TẠI VIỆT NAM VÀ CÁC ĐỀ XUẤT 4.1 Thực trạng ứng dụng SAS trạm biến áp từ 220kV trở lên phía Bắc Trong hệ thống trạm biến áp Việt Nam nay, có nhiều trạm trang bị hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Đặc biệt trạm biến áp có điện áp cao từ 220kV trở lên Hầu hết hệ thống sử dụng thiết bị hãng Siemens, Areva, ABB có nhiều phía Bắc Việt Nam SEL, GM, có nhiều tỉnh phía Nam Có thể liệt kê hệ thống trạm biến áp 220kV 500kV phía Bắc : Trạm 220kV Nam Định, Việt Trì, Tràng Bạch, Bắc Ninh, Yên Bái… lắp đặt hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp hãng Siemens Các trạm 500kV Thường Tín, Nho Quan, Hà Tĩnh, 220kV Lào Cai, Phúc Yên dùng thiết bị Areva ABB Hệ thống tự động điều khiển trạm biến áp 220kV Bắc Ninh hệ thống mới, vừa lắp đặt đưa vào sử dụng vào cuối năm 2005 Qua trình hoạt động gần năm qua, hệ thống làm việc ổn định, tin cậy, chuyên gia đánh giá tốt Trạm biến áp 220kV Bắc Ninh với sơ đồ thiết kế 01 máy biến áp 125MW Ucraina, 02 đường dây 220kV 04 đường dây 110kV Các máy cắt 220kV 110kV dùng máy cắt khí SF6 Siemens loại 3AP1 3AQ1 Các máy biến dòng máy biến điện áp Siemens Với hai đường dây 220kV Sóc Sơn Phả Lại, phía 220kV dùng sơ đồ góp tứ giác với 04 máy cắt Phía 110kV có 04 ngăn lộ, 02 Đơng Anh 02 Phả Lại dùng sơ đồ 02 góp Nghiªn cøu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 107 - Hình 4.1.Hệ thống thiết bị sơ cấp trạm với 01 máy biến áp 125MVA Nghiªn cøu hƯ thèng tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 108 - Hình 4.2.Màn hình sơ đồ hệ thống điều khiển trạm Hình 4.3.Màn hình hệ thống bảo vệ trạm Nghiªn cøu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 109 - Hình 4.4 Thiết bị điện thơng minh : Rơle khoảng cách 7SA52 Transducer Các điều khiển ngăn lộ dùng loại 6MD663 6MD664 cho phía 220kV 110kV Được kết nối tới điều khiển trung tâm PROFIBUS FMS Có 02 điều khiển trung tâm SC, dự phũng Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao häc - 110 - Hình 4.5 Bộ điều khiển ti ngn l 6MD664 Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 111 - Hỡnh 4.6 Bố trí điều khiển trung tâm SC tủ kết nối Nghiªn cøu hƯ thèng tù động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 112 - Hỡnh 4.7 Hệ thống máy tính Nghiªn cøu hƯ thèng tù động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 113 - Hỡnh 4.8 Phịng điều khiển trạm Nghiªn cøu hƯ thèng tù động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 114 - Hỡnh 4.9 Màn hình điều khiển phía 220kV Hình 4.10 Màn hình điều khiển máy biến áp AT1 HƯ thèng tù động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 115 - Hỡnh 4.11 Màn hình điều khiển ngăn lộ vịng phía 110kV 4.2 Triển vọng phát triển số đề xuất Với tính vượt trội kỹ thuật kinh tế, hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp hệ có triển vọng lớn, với hệ thống trạm biến áp Việt Nam Là hệ thống thiết kế mở nên khả mở rộng nâng cấp hệ thống linh hoạt áp dụng tốt trạm biến áp dùng hệ thống điều khiển hệ cũ trạm biến áp chưa trang bị hệ thống Một số đề xuất : - Hiện Việt Nam, trạm biến áp có cấp điện áp cao từ 220kV trang bị hệ thống tự động điều khiển bo v, Hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao häc - 116 - nhiên trạm có cấp điện áp tháp từ 110kV trở xuống không trang bị hệ thống này, điều gây nhiều khó vận hành, theo dõi giám sát trình làm việc trạm, nhiều nhân lực vận hành trạm Đề xuất trang bị hệ thống tự động điều khiển bảo vệ cho trạm biến áp từ 110kV trở xuống, trạm biến áp 35kV 22kV giúp đại hoá hệ thống điện Việt Nam - Phát triển hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Việt Nam trở thành hệ thống dùng chuẩn kết nối thống nhà sản xuất - IEC 61850 HÖ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 117 - Danh mục tài liệu tham khảo Tiếng Việt 1.Trần Đình Long (2000), Bảo vệ hệ thống điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Trần Đình Long (1999), Quy hoạch phát triển Năng lượng Điện lực , Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Tµi liƯu kü tht sè ICS03-02 - EVN : Hệ thống điều khiển cho trạm biến áp 220kV Tài liệu Trung tâm Điều độ quốc gia A0 điều độ Miền Bắc A1 Tiếng Anh Darol Woodward(April 5-8 1999), “Protocol and architectures for Power Delivery Automation Proceeding of the 1st Annual Western Power Delivery Automation ”, Conference, Spoklane WA, Graham Clogh, Tony Guilante, Jay Gosallia (October 1993 ), “Basic Communication for the Relay Engineer 20th Annual Western Protection Relay Conference”, Spokane - USA IEC Standard 61850 Siemens(2005) - Sicam Substation Control getting start V4.0 - General Sicam plusTOOLs V4.0 -General Sicam Substation Automation System -Sicam Substation Control maintenance and Diagnostics V4.0 -Sicam SC Mounting Instruction V4.0 - Sicam SC New Feature in V4.1 -Sicam SC Planning and Design V4.0 HƯ thèng tù ®éng điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 118 - -Sicam SC Redundant System V3.1 -Sicam SC System Description V4.0 -Sicam WINCC V5.01 10 SEL (2000) SEL7000 system – Substation Automation System 11 AREVA (2004) MiCOM 624C 12 IEEE magazine (2006) , Control System Hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh ... chức tự động điều khiển Chính hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp SAS tích hợp dải rộng cấu hình, bổ sung cho hệ thống phân phối điều khiển Các chức hệ thống tự động điều khiển bảo vệ. .. thèng tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học -8- Chương Giới thiệu tổng quan tự động điều khiển, bảo vệ TRạM BIếN áP đại 1.1 Tổng quan hệ thống tự động điều khiển trạm. .. làm ảnh hưởng đến toàn hệ thống Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh Luận văn Cao học - 49 - CHƯƠNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM BIẾN ÁP SAS 3.1 Giới thiệu