NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG PHÂN ĐOẠN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TẤT THÀNH NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG PHÂN ĐOẠN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÊ KIM HÙNG Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Trong luận văn có trích dẫn số viết, tài liệu chuyên ngành tự động hóa Việt Nam số tác giả giới Các số liệu, kết tính tốn luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình Tác giả luận văn Nguyễn Tất Thành MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cấu trúc luận văn .2 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.1 Giới thiệu 1.2 Cơng nghệ tự động hóa giới 1.2.1 Tối ưu điện áp công suất phản kháng 1.2.2 Tự động hóa tụ bù 1.2.3 Phối hợp máy cắt đóng lặp lại máy cắt phân đoạn .6 1.2.4 Hệ thống quản lý phân phối quản lý điện 1.2.5 Công nghệ phát lỗi, cách ly khôi phục 1.3 Công nghệ tự động hóa áp dụng Việt Nam 10 1.3.1 Hệ thống SCADA 10 1.3.2 Hệ thống SCADA/EMS 11 1.3.3 Hệ thống SCADA/DMS 13 1.3.4 Hệ thống SCADA/OMS 16 1.4 Kết luận 17 CHƯƠNG KHẢ NĂNG TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRONG VIỆC TỰ ĐỘNG PHÂN ĐOẠN TẠI PC QUẢNG BÌNH 18 2.1 Hệ thống SCADA Công ty Điện lực Quảng Bình .18 2.1.1 Quy mô, trạng hệ thống 18 2.1.2 Tiêu chuẩn áp dụng 20 2.1.3 Phương pháp truyền thông .21 2.2 Khả tự động hóa Recloser LBS .24 2.2.1 Tại Recloser .24 2.2.2 Tại LBS .25 2.3 Giải pháp tự động hóa lưới điện phân phối 26 2.3.1 DAS khả áp dụng .26 2.3.2 Phân tích theo tiêu chí kỹ thuật 29 2.3.3 Phân tích theo tiêu chí kinh tế 31 2.3.4 Lựa chọn giải pháp 31 2.4 Kết luận 32 CHƯƠNG ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG PHÂN ĐOẠN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TP ĐỒNG HỚI 33 3.1 Tổng quan lưới điện TP Đồng Hới 33 3.1.1 Quy mô lưới điện .33 3.1.2 Đánh giá xuất tuyến 475 Đồng Hới 477 Bắc Đồng Hới .36 3.2 Thực tự động phân đoạn xuất tuyến 475 & 477 38 3.2.1 Kết nối thiết bị hệ thống SCADA .38 3.2.2 Các tín hiệu cần thu thập 41 3.2.3 Tự động hóa phần mềm Survalent SCADA .44 3.2.4 Kết mô 53 3.3 Đánh giá hiệu .57 3.4 Khả mở rộng cho lưới phân phối TP Đồng Hới 59 3.5 Kết luận 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 62 BẢN SAO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢO SAO) 76 BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG PHÂN ĐOẠN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI Học viên: Nguyễn Tất Thành Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 Khóa: K34QB Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN TÓM TẮT Trước nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, yêu cầu cấp thiết ngành điện độ tin cậy cung cấp điện Một lý làm giảm độ tin cậy cung cấp điện cố, đặc biệt khu vực có địa hình, thời tiết phức tạp Trong đó, cơng tác phân đoạn xử lý cố thực cách thủ cơng Khi có cố xảy đường dây, nhân viên quản lý vận hành phải thực cắt thiết bị phân đoạn để xác định khoanh vùng cố Để giải vấn đề, tác giả nghiên cứu áp dụng giải pháp tự động phân đoạn nhằm khai thác tiềm hệ thống SCADA có với nguồn kinh phí tiết kiệm Nội dung nghiên cứu áp dụng công nghệ tự động phân đoạn để phối hợp thiết bị lưới nhằm nhanh chóng cách ly vùng bị cố tự động cấp điện trở lại cho khu vực không bị cố thời gian nhanh nhất, tăng độ tin cậy cung cấp điện Từ khóa: tự động hóa; lưới điện phân phối; phân đoạn cố; độ tin cậy; hệ thống điều khiển ABSTRACT Facing the need for socio-economic development, the urgent requirement for the power sector is the reliability of electricity supply One of the main reasons for the decline in power supply reliability is the incident, especially in areas with complex terrain and weather Meanwhile, the troubleshooting work is done manually In the event of an incident on the line, the operator shall cut the segmentation equipment to identify and delineate the fault To solve the problem, the researcher applied an automated solution to exploit the potential of existing SCADA systems with budget savings The research is to apply automatic segmentation technology to coordinate devices on the grid to quickly isolate the incident area and automatically return power to the area without incident in the fastest time, increase the reliability of the power supply Key words: automation; distribution grid; incident segment; reliability; control system DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CA (Capacitor Automation): Tự động hóa tụ bù DMS (Distributor Management System): Hệ thống quản lý phân phối FDIR (Fault detection, isolation, and recovery): Phát lỗi, cách ly khôi phục FLISR (Fault Location, Isolation, and Service Restoration): Xác định vị trí, lập lỗi phục hồi cung cấp điện MPLS (Multiprotocol Label Switching): Chuyển mạch nhãn đa giao thức OMS (Outage Management System): Hệ thống quản lý điện R&S (Reclosers Sectionalizers): Phối hợp máy cắt đóng lặp lại máy cắt phân đoạn SAIDI (System Average Interruption Duration Index): Chỉ số thời gian điện trung bình lưới điện phân phối SAIFI (System Average Interruption Frequency Index): Chỉ số số lần điện trung bình lưới điện phân phối SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu SDH (Synchronous Digital Hierarchy): Truyền dẫn liệu đồng môi trường quang VPN (Virtual Private Network): Mạng riêng ảo VVO (Volt/VAR optimization): Tối ưu điện áp công suất phản kháng DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 3.1 Quy mô nguồn lưới Điện lực Đồng Hới quản lý 34 3.2 Sản lượng theo thành phần phụ tải 36 3.3 Bảng tín hiệu mức độ trạm - Máy biến áp 41 3.4 Bảng tín hiệu mức độ trạm - Các ngăn lộ tổng máy biến áp 42 3.5 Bảng tín hiệu mức độ trạm - Xuất tuyến trung 22KV 42 3.6 Bảng tín hiệu mức độ lưới phân phối – Recloser/LBS 43 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 Tên hình Mơ hình hệ thống tối ưu Volt/Var Tụ bù hạ loại tụ khô (minh họa) Tụ bù hạ loại tụ dầu (minh họa) Thiết bị đóng cắt Recloser (minh họa) Kiến trúc tích hợp SCADA/DMS/OMS Cấu trúc hệ thống SCADA sử dụng phần mềm Survalent (minh họa) Các chức hệ thống SCADA/DMS Quy mô hệ thống SCADA Công ty Điện lực Quảng Bình Sơ đồ nguyên lý hệ thống SCADA Cơng ty Điện lực Quảng Bình Hệ thống truyền dẫn quang SDH EVNCPC Hệ thống truyền dẫn quang SDH tỉnh Quảng Bình Ngun lý kết nối thơng qua mạng riêng 3G Sơ đồ khối Recloser trọn Sơ đồ LBS trọn Sơ đồ cấu trúc tự động hóa lưới điện So sánh hai phương án tự động hóa lưới phân phối Sơ đồ lưới điện 110kV tỉnh Quảng Bình Trang 11 14 19 20 22 22 23 24 25 27 32 33 Các xuất tuyến trung trạm biến áp 110kV Bắc Đồng Hới Các xuất tuyến trung trạm biến áp 110kV Đồng Hới Sản lượng điện nhận/điện giao ĐL Đồng Hới Biểu đồ phân bố phụ tải năm 2017 Sơ đồ đơn tuyến đường dây 475 Đồng Hới 477 Bắc Đồng Hới Giải pháp kết nối thiết bị trung truyền thông 3G 34 Kết nối an tồn qua VPN/IPSec thơng qua 3G Private APN Modem Secflow-1 nguyên lý làm việc Các kênh VPN kết nối thiết bị trung Thơng số giao thức, tình trạng kết nối Tạo Station STC Explorer Tạo Station chứa biến trạng thái ảo Tạo biến trạng thái ảo cho đường truyền thông 39 34 35 36 38 39 40 40 41 45 46 46 Số hiệu 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 Tên hình Tạo Communication Line STC Explorer Tạo RTU STC Explorer Tạo Analog point STC Explorer Trang Alarm Analog point Vẽ sơ đồ sợi HMI Smart VU Tạo Station Transformer Line Section Tạo Switch máy cắt hợp Line Section Giao diện lập trình Command Sequences Sơ đồ lưới điện làm việc bình thường Recloser 485 Đồng Sơn cắt để lập cố đóng Recloser 3.24 487 Trại Gà để cấp điện phân đoạn lại 3.25 Chỉ số SAIDI trước sau tự động hóa 3.26 Chỉ số SAIFI trước sau tự động hóa Trang 47 47 48 49 50 51 52 53 54 54 58 58 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày với phát triển mạnh mẽ khoa học, công nghệ đặc biệt cách mạng công nghiệp 4.0 diễn với thành tựu vượt bậc lĩnh vực tự động hóa, robotics, trí thơng minh nhân tạo, cơng nghệ nano, cơng nghệ sinh học, IoT, Big Data, blockchain Việc ứng dụng công nghệ vào dây chuyền sản xuất, kinh doanh doanh nghiệp để mang lại hiệu cao nhiều mặt điều tất yếu Thực lộ trình lưới điện thơng minh, năm qua Cơng ty Điện lực Quảng Bình xây dựng áp dụng nhiều công nghệ mới, tiên tiến để nâng cao chất lượng độ tin cậy cung cấp điện như: đưa vào sử dụng trung tâm điều khiển hệ thống thông tin SCADA, hệ thống quản lý liệu đo xa (MDMS), hệ thống thu thập liệu công tơ tự động RF-Spider…Tuy nhiên việc khai thác dừng lại mức độ bản, chưa khai thác hết tiềm hệ thống Trước nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, yêu cầu cấp thiết ngành điện độ tin cậy cung cấp điện Một lý làm giảm độ tin cậy cung cấp điện cố, đặc biệt khu vực có địa hình, thời tiết phức tạp Trong đó, cơng tác phân đoạn xử lý cố thực cách thủ cơng Khi có cố xảy đường dây, nhân viên quản lý vận hành phải thực cắt thiết bị phân đoạn để xác định khoanh vùng cố Trường hợp lưới mạch vòng, sau đảm bảo cách ly phân đoạn bị cố tiến hành xem xét đóng thiết bị phân đoạn để cung cấp điện cho phân đoạn không bị cố Thời gian xử lý cố theo quy trình thường phụ thuộc nhiều vào trình độ xử lý cố điều độ viên thời gian triển khai lực lượng thao tác thiết bị phân đoạn, khoảng cách địa hình điểm trực thao tác thiết bị cần phân vùng cố Để giải vấn đề, tác giả nghiên cứu áp dụng giải pháp tự động phân đoạn nhằm khai thác tiềm hệ thống SCADA có với nguồn kinh phí tiết kiệm Nội dung nghiên cứu áp dụng công nghệ tự động phân đoạn để phối hợp thiết bị phân đoạn lưới nhằm nhanh chóng cách ly phân đoạn bị cố tự động cấp điện trở lại cho phân đoạn không bị cố thời gian nhanh nhất, tăng độ tin cậy cung cấp điện Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu đặc điểm trạng lưới điện phân phối 71 lớp gần với người sử dụng nhất, cung cấp phương tiện cho người dùng truy cập thông tin liệu mạng thông qua chương trình ứng dụng Kiểu liệu Kiểu biến Single Point Information (SP) Double Point Information (DP) Measured value (MV) Double Command (DC) Regulating Step Command (RC) T1 T3 T9, T13 T46 T47 Địa 501, 502,… 5001, 5002,… 8001, 8002,… 6001, 6002,… Nhận xét: IEC101 có ưu điểm thiết bị thông tin đơn giản rẻ Nhược điểm kênh truyền thông V24 (hoặc 4W) từ RTU/Gateway TBA đến hệ thống SCADA phải qua nhiều thiết bị (modem V24/4W, PCM, STM1,4 ) làm tăng nguy cố đường truyền, thời gian xử lý kéo dài; Phương thức truyền thơng dự phịng dịch vụ PSTN không tin cậy; Việc ghép nối nhiều TBA line IEC101 hạn chế để đảm bảo yêu cầu thời gian thực tín hiệu, đồng thời tín hiệu đo lường 32 bit (CP56Time2a) có đáp ứng chậm kích thước tin lớn; Yêu cầu bắt buộc phải sử dụng thiết bị đầu cuối khác kênh độc lập làm tăng chi phí mua license line; Các dịch vụ khác TBA mạng LAN, hệ thống Camera… phải sử dụng thêm đường truyền vật lý riêng * IEC 60870-5-104 Chuẩn truyền thơng IEC60870-5-104 IEC104 sử dụng mơ hình tham chiếu kết nối hệ thống mở (Open Systems Interconnection Reference Model - OSI) với lớp bảng sau: Lớp Nguồn Mô tả Ứng dụng IEC 101 ASDUs phần tử thông tin Truyền dẫn Mạng Liên kết Vật lý TCP/IP chuẩn truyền thông mạng Thực chất giao thức mở rộng từ IEC101 với thay đổi lớp vật lý lớp liên kết, lớp truyền dẫn, lớp mạng để phù hợp với giao tiếp Ethernet Điều đó, cho phép truyền liệu đồng thời nhiều thiết bị dịch vụ Việc kết nối đến mạng LAN Router với thiết bị khác (ISDN, X.25,), mạng diện rộng WAN Hình dựa hạ tầng có sẵn, nên tiết kiệm chi phí 72 đầu tư khơng cần xây dựng hạ tầng thông tin riêng biệt dễ dàng thuê kênh FE nhà cung cấp dịch vụ khác với chi phí chấp nhận Kiểu liệu Kiểu biến Địa Single Point Information (SP) T1 1000, 1001,… Double Point Information (DP) Measured value (MV) Single Command (DC) Double Command (DC) Regulating Step Command (RC) T3 T13 T45 T46 T47 2000, 2001,… 5000, 5001,… 3000, 3001,… 4000, 4001,… Với tốc độ kênh FE từ 128kb/s đến 2Mb/s, tốc độ đáp ứng tín hiệu giao thức IEC104 tốt giao thức IEC101, hỗ trợ gói tin đo lường 32 bit (CP56Time2a) Cơ chế quản lý địa trạm (ADSU Address) theo địa IP nên việc ghép nhiều station line đảm bảo tính kinh tế việc đầu tư license cho hệ thống.Mặt khác, hệ thống khác TBA như: camera, access control, mạng LAN… sử dụng chung kênh truyền Trung tâm Điều khiển Phụ lục 3: Giới thiệu VPN/MPLS VPN (mạng riêng ảo) mạng lưới giả lập mạng riêng phục vụ cho đơn vị độc lập sở hạ tầng chung, VPN thường cung cấp giao tiếp lớp lớp VPN yêu cầu site khách hàng có khả liên kết với hồn tồn tách biệt với VPN khác, yêu cầu kết nối tối thiểu Tuy nhiên, mô hình VPN lớp IP u cầu nhiều Nó cung cấp khả kết nối VPN khác cần chí cung cấp khả kết nối đến mạng cơng cộng 73 VPN/MPLS ứng dụng triển khai phổ biến rộng rãi công nghệ MPLS Hầu hết nhà cung cấp dịch vụ mạng triển khai thay cho frame relay ATM, dịch vụ phổ biến trước đây, MPLS nhận quan tâm lớn từ công ty doanh nghiệp lớn – người mà xem bước thiết kế mạng họ Để hiểu nguyên tắc hoạt động MPLS, trước hết ta phải làm quen với số khái niệm dùng MPLS MPLS domain: Là tập hợp node mạng MPLS quản lý điều khiển quản trị mạng, hay nói cách đơn giản MPLS domain, coi hệ thống mạng tổ chức (chẳng hạn nhà cung cấp dịch vụ) LSR (Label Switching Router): Là node mạng MPLS Có hai loại LSR chính:  LSR cạnh (gồm LSR hướng vào, LSR hướng ra): LSR nằm biên MPLS domain kết nối trực tiếp với mạng người dùng  LSR chuyển tiếp (Transit LSR): LSR nằm bên MPLS domain, LSR định tuyến lõi (core router) nhà cung cấp dịch vụ Nhãn (Label): Thường tổ chức dạng ngăn xếp nhãn (Label Stack), có độ dài 32 bit thể sau:  Trường Label: Có độ dài 20 bit, giá trị nhãn  Trường Exp (Experimental): Có độ dài bit dùng cho mục đích dự trữ nghiên cứu phân chia lớp dịch vụ (COS - Class Of Service)  Trường S: Có độ dài bit, dùng định nhãn cuối Label Stack Với nhãn cuối cùng, S=1  Trường TTL (Time To Live): Có mục đích trường TTL gói tin IP FEC: MPLS khơng thực định chuyển tiếp với gói liệu lớp (datagram) mà sử dụng khái niệm gọi FEC (Forwarding Equivalence Class) Mỗi FEC tạo nhóm gói tin có chung yêu cầu truyền tải dịch vụ (thoại, data, video, VPN ) 74 yêu cầu QoS Hay nói cách khác, MPLS thực phân lớp liệu để chuyển tiếp qua mạng LSP (Label Switching Path): Là tuyến bắt đầu LSR hướng vào thơng qua nhiều chí khơng LSR chuyển tiếp cuối kết thúc LSR hướng LSP đường FEC thông qua mạng MPLS Khái niệm LSP tương tự khái niệm kênh ảo (Virtual Channel) mạng IP, ATM, Frame Relay LDP (Label Distribution Protocol): Là giao thức phân bổ nhãn dùng MPLS để phân bổ nhãn thiết lập LSP thông qua mạng MPLS Khi luồng liệu người dùng gửi đến mạng MPLS, LSR hướng vào (LSR A) luồng liệu phân lớp đóng FEC LSR hướng vào thực việc phân bổ nhãn thiết lập LSP cho FEC (chẳng hạn thiết lập LSP 44-67-13) Tại node chuyển tiếp mạng, LSR thực việc tráo đổi nhãn gửi FEC đến LSR (LSR B gặp nhãn 44 đổi sang nhãn 67 chuyển tiếp đến LSR D, tương tự LSR D gặp nhãn 67 tráo đổi thành nhãn 13 gửi đến LSR F) Các LSR B D không quan tâm đến mào đầu gói tin FEC (điều khác biệt hẳn với mạng định tuyến lớp truyền thống) Khi luồng liệu đến LSR hướng ra, FEC gỡ bỏ nhãn tách ngược trở lại thành gói tin thông thường gửi đến người dùng cuối giao thức định tuyến truyền thống Có điểm cần lưu ý, FEC chuyển tiếp nhiều LSP khác nhau, ưu điểm trội MPLS so với mạng định tuyến thơng thường Có thể nói VPN ứng dụng quan trọng MPLS Kỹ thuật MPLS VPN đưa thay đổi cơng nghệ VPN sử dụng khái niệm Virtual Router thay cho Dedicated Router Shared Router Trong khuôn khổ viết không đề cập nhiều đến công nghệ MPLS VPN mà đưa lợi ích so với dịch vụ VPN truyền thống: Riêng biệt bảo mật: MPLS VPN giữ thông tin định tuyến riêng biệt cho VPN, đảm bảo người dùng liên lạc với địa lập sẵn cho VPN 75 Độc lập với khách hàng: MPLS VPN có cách đánh địa (gán nhãn mạng MPLS) linh hoạt, người dùng sử dụng dải địa (kể địa kiểm tra địa không đăng ký) sử sụng NAT (Network Address Translation) Mặt khác, người dùng cịn sử dụng dải địa trùng giống Một điểm bật khác mạng người dùng không yêu cầu thiết bị hỗ trợ MPLS, thiết bị đắt tiền VPN Router với IP Sec yêu cầu đặc biệt khác IP Linh hoạt khả phát triển: Với dịch vụ VPN dựa IP, số lượng router mạng tăng nhanh chóng theo số lượng VPN VPN phải chứa bảng định tuyến ngày lớn MPLS VPN sử dụng tập BGP (Border Gateway Protocol) ngang hàng LSR cạnh (Edge LSR), cho phép số lượng VPN không hạn chế hỗ trợ nhiều dạng VPN, dễ dàng tạo thêm VPN site (chỉ cần thực router site mới) MPLS giải pháp mạng đường trục cho mạng hệ mới, xu hướng phát triển MPLS ATOM (Any traffic Over MPLS), nghĩa có khả đáp ứng loại dịch vụ nào: thoại, video, fax, data MPLS VPN thị trường đầy tiềm hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho người dùng nhà cung cấp dịch vụ viễn thông 76 Bản định giao đề tài luận văn thạc sĩ