Nghiên cứu và chế tạo thiết bị tích hợp ứng dụng kết nối tụ bù trung áp 22kv vào hệ thống scada sys600

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HOÀNG LÊ MINH HOÀNG LÊ MINH C C Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa R L T NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TÍCH HỢP ỨNG DỤNG KẾT NỐI TỤ BÙ TRUNG ÁP 22KV VÀO HỆ THỐNG SCADA SYS600 DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa K37.TĐH.KT Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HOÀNG LÊ MINH NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TÍCH HỢP ỨNG DỤNG KẾT NỐI TỤ BÙ TRUNG ÁP 22KV VÀO HỆ THỐNG SCADA SYS600 Chuyên ngành : C C Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa R L T Mã số: 8520216 DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGÔ ĐÌNH THANH Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả luận văn C C R L T Hoàng Lê Minh DU NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TÍCH HỢP ÚNG DỤNG KẾT NỐI TỤ BÙ TRUNG ÁP 22KV VÀO HỆ THỐNG SCADA SYS600 Để đại hóa cơng tác vận hành lƣới điện, ngành điện thực chuyển đổi số lƣới điện Việt Nam việc triển khai hệ thống Scada để thu thập liệu, giám sát điều khiển từ xa phục vụ cho công tác điều độ vận hành lƣới điện hƣớng đến lƣới điện thông minh Hệ thống Mini SCADA ABB SYS600 Công ty Điện lực Gia Lai (GLPC) hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông để kết nối thiết bị Bên cạnh lƣới điện trung áp GLPC nhiều thiết bị cũ nhƣ tủ tụ bù Mcap II không hỗ trợ giao thức truyền thông kết nối với hệ Scada gây khó khăn cơng tác vận hành Việc thay toàn 34 tù bụ Mcap II hệ thống lƣới Gia Lai cần chi phí đầu tƣ cao Chính thế, giải pháp tích hợp hệ thống tụ bù Mcap II vào lƣới điện Scada SYS600 cấp thiết mang lại nhiều lợi ích Giải pháp không tận dụng lại tủ bù Mcap II hệ thống cũ lƣới GLPC mà giúp nâng cao suất, chất lƣợng điện năng, hiệu quản lý vận hành lƣới điện GLPC Việc nghiên cứu chế tạo thiết bị tích hợp ứng dụng kết nối tụ bù trung áp 22KV vào hệ thống SCADA ABB SYS600 nhằm giải thách thức đặt GLPC C C R L T Từ khóa: IEC 60870-5-104, tích hợp tụ bù Mcap II, chuyển đổi giao thức truyền thông,, Scada ABB SYS600, chất lƣợng điện DU RESEARCH AND MANUFACTURE THE APPLIED EQUIPMENT FOR CONNECTING 22KV MEDIUM VOLTAGE CAPACITOR IN SCADA SYS600 SYSTEM In order to modernize the grid operation, the power sector has transformed the number of Vietnamese power grids by deploying Scada systems to collect data, monitor and control remotely for control work grid operation towards smart grid The Mini SCADA ABB SYS600 system of Gia Lai Power Company (GLPC) supports many communication protocols for connecting devices In addition, on the medium voltage GLPC grid, there are also many old devices such as the Mcap II capacitor bank that not support the communication protocol connected to the Scada system, causing difficulties in operation Replacing all 34 Mcap II prisoners on the Gia Lai grid requires high investment costs Therefore, the solution to integrate the Mcap II capacitor system into the Scada SYS600 grid is urgent and brings many benefits This solution not only makes use of the Mcap II compensation cabinets of the old system on the GLPC grid, but also improves the productivity, power quality, and efficiency of the GLPC grid operation management Research and manufacture of equipment for integrating the application of connecting 22KV medium voltage compensation capacitors to SCADA ABB SYS600 system to solve challenges posed at GLPC Key words: IEC 60870-5-104, integrated Mcap II capacitor, communication protocol converter, Scada ABB SYS600, power quality MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu: Đối tƣợng nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƢƠNG THỰC TRẠNG VÀ THÁCH THỨC CỦA HỆ THỐNG SCADA PC GIA LAI 1.1 Hệ thống MiniSCADA công ty Điện lực Gia Lai: C C 1.1.1 Phương thức truyền thông: R L T 1.1.2 Giao thức truyền thông: 1.1.3 Thiết bị đầu cuối – RTU (Remote Terminal Unit) DU 1.1.4 Các phần mềm hệ thống 1.2 Khả mở rộng kết nối hệ thống SCADA 1.3 Thiết bị Phòng điều khiển trung tâm 1.3.1 Hệ thống máy tính, thiết bị truyền thông thiết bị mạng: 1.3.2 Hệ thống nguồn Backup 11 1.4 Cấu trúc hoạt động Hệ thống SCADA Gia Lai 13 1.5 Những hạn chế hệ thống SCADA ABB GLPC 13 1.6 Thực trạng hệ thống tụ bù Mcap II lƣới GLPC 14 1.7 Các giải pháp thị trƣờng để kết nối thiết bị khơng có giao thức hệ thống Mini Scada ABB 15 1.8 Kết luận 16 CHƢƠNG 2: GIẢI PHÁP KẾT NỐI VÀ ĐIỀU KHIỂN TỤ BÙ TRUNG ÁP 17 2.1 Khó khăn thách thức thực giải pháp đề xuất 17 2.2 Thiết kế module giám sát điều khiển hệ thống 17 2.2.1 Khối máy tính nhúng: 19 2.2.2 Khối giao tiếp ethernet: 19 2.2.3 Khối lưu trữ thời gian: 20 2.2.4 Khối đo lường: 20 2.2.5 Khối điều khiển: 21 2.3 Lựa chọn phần cứng cho giải pháp: 21 2.3.1 Khối máy tính nhúng: 21 2.3.2 Khối giao tiếp ethernet: 23 2.3.3 Khối lưu trữ thời gian: 24 2.4 Thiết kế mạch nguyên lý 25 2.4.1 Khối nguồn: 25 2.4.2 Khối vi điều khiển: 26 2.4.3 Khối giao tiếp Internet: 27 2.4.4 Khối mạch giao tiếp RS232: 28 C C 2.4.5 Khối lưu trữ thời gian: 29 R L T 2.4.6 Khối input output: 29 2.4.7 Khối điều khiển: 31 DU 2.5 Tích hợp module vào hệ thống Mini Scada ABB 32 2.6 Kết luận 34 CHƢƠNG THUẬT TỐN TRUYỀN THƠNG IEC 60870-5-104 VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT 35 3.1 Giao thức IEC 60870-5-104 35 3.2 Thuật tốn mã hóa giải mã CBC 38 3.3 Giải pháp tích hợp chuẩn truyền thông 43 3.3.1 Lưu đồ thuật toán truyền thông liệu với hệ thống SCADA: 44 3.3.2 Lưu đồ thuật toán giao tiếp mạch điều khiền máy tính: 45 3.4 Cấu hình thu thập thơng số hệ thống mini Scada GLPC 47 3.5 Kết luận 48 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .49 4.1 Khó khăn trƣớc áp dụng đề tài: 49 4.2 Kết đạt đƣợc đề tài: 50 4.3 Kết luận kiến nghị 56 Tài liệu tham khảo 58 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 - Tổng quan hệ thống SCADA GLPC Hình - Truyền thông hữu tuyến Hình - Truyền thông vô tuyến Hình - Mà hình HMI hệ thống Scada .7 Hình - Giao diện phần mềm DMS600 ABB Hình - Sơ đồ thiết bị Trung tâm điều khiển 10 Hình - Hệ thống Camera giám sát báo cháy 10 Hình - Hệ thống Scada TBA 110KV 11 C C R L T Hình - Sơ đồ cấu trúc hệ thống thu thập giám sát liệu 18 Hình 2 - Sơ đồ cấu trúc hệ thống thu thập giám sát liệu 19 DU Hình - Khối Ethernet 19 Hình - Khối lƣu trữ thời gian 20 Hình - Khối đo lƣờng 20 Hình - Khối điều khiển 21 Hình - Vi điều khiển Atmel 21 Hình - chip Ethernet W5100 23 Hình - Chip xử lý thời gian 24 Hình 10 - Nguồn cấp cho vi xử lý .25 Hình 11 - nguồn cấp chip Ethernet 26 Hình 12 - Mạch điều khiển xử lý trung tâm 26 Hình 13 - Mạch xử lý liệu Ethernet 27 Hình 14 - Mạch truyền thơng kết nối máy tính 28 Hình 15 - mạch truyền thông RS232 28 Hình 16 - Mạch lƣu trữ thời gian thƣc 29 Hình 17 - Mạch cách ly đọc tín hiêu vào 30 Hình 18 - Mạch cách lỹ điều khiển ngõ 30 Hình 19 - Mạch điều khiển đóng cắt tụ bù 31 Hình 20 - Mạch điều khiển tủ Mcap II 32 Hình 21 – Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển vào tủ Mcap II 32 Hình 22 - Mơ hình giải pháp VPN 33 Hình 23 - Modem ABB ARP600 33 Hình - Khung liệu cấu trúc giao thức IEC 60870-5-104 37 Hình - Định dạng khung liệu giao thức IEC 60870-5-104 38 Hình 3 - Chế độ mã hóa/giải mã CBC .40 C C Hình - Phần mềm cấu hình địa cho mạch chuyển đổi 42 Hình - Giải pháp tích hợp chuẩn truyền thơng 43 R L T Hình - Lƣu đồ thuật toán hệ thống 44 DU Hình - Lƣu đồ thuật tốn khởi tạo thơng số truyền thơng 45 Hình - Sơ đồ chuyển đổi thông số đo lƣờng 46 Hình - Sơ đồ thực thi lệnh điều khiển 46 Hình 10 - Thiết kế giao diện điều khiển tủ tụ bù Mcap II 48 Hình - Sản phẩm mạch sau thiết kế 50 Hình - Hình ảnh thực tế sau lắp đặt lƣới 51 Hình - Giao diện điều khiển thực tế tủ Mcap II 52 Hình 4 - Dữ liệu History thông số tủ Mcap II 53 Hình - Đồ thị biểu diễn thông số đo lƣờng thu thập từ tủ Mcap II 54 Hình - Giao diện cảnh báo trạng thái thiết bị 54 Hình - Giao diện điều khiển tay tủ Mcap II 54 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với trình phát triển kinh tế xã hội đất nƣớc, ngành điện phải trƣớc bƣớc cơng cơng nghiệp hóa đại hóa Các nhà máy xí nghiệp, khu cơng nghiệp ngày phát triển nhanh chóng địi hỏi tiêu thụ cơng suất phản kháng tăng, điều làm giảm hệ số cosphi, giảm chất lƣợng điện năng, tăng tổn thất Vì việc u cầu giám sát sử dụng cơng suất tác dụng (P) công suất phản kháng (Q) nhƣ đảm bảo cho nhu cầu thực tế lƣới điện khó khăn thách thức, bên cạnh tụ bù trung áp vận hành không đƣợc giám sát liên tục theo thời gian thực tế mà đƣợc kiểm tra định kỳ có yêu cầu, việc kiểm tra tình trạng làm việc, thao tác vận hành, địi hỏi nhân viên vận hành phải di chuyển đến điểm thao tác để thực hiện, tiêu tốn thời gian nguồn lực [1] C C R L T Trong bối cảnh đó, Điện lực Việt Nam (EVN) xây dựng đề án phát triển Lƣới điện thông minh EVN giai đoạn 2017 đến 2022 trang bị sở hạ tầng công nghệ thông tin cho lƣới điện phân phối, từ cần phải có hệ thống đo lƣờng, DU điều khiển, giám sát, giúp kiểm sốt tình hình vận hành tủ tụ bù nhằm sớm phát bất thƣờng theo thời gian thực tế [2] Mục tiêu nghiên cứu: Thu thập thông số vận hành công suất phản kháng lƣới đƣợc cập nhật liên tục Theo dõi trạng thái đóng cắt tụ bù để đảm bảo hệ thống tụ bù hoạt động Thiết kế hệ thống đo lƣờng, kiểm tra tình trạng tụ bù Thuật tốn truyền thơng tồn liệu thu thập Server ngƣời quản lý theo dõi theo thời gian thực đƣợc thông số vận hành trạng thái tụ bù Đối tƣợng nghiên cứu Giải pháp tích hơp chuẩn truyền thơng Scada lƣới điện đảm bảo độ tin cậy, xác, bảo mật Giải pháp truyền liệu qua thiết bị di động đầu cuối Modem ARP600 ABB Thiết kế thiết bị thu thập liệu, tình trạng vận hành tụ bù tích hợp vào hệ thống mini Scada ABB SYS600 để giám sát điều khiển Phƣơng pháp nghiên cứu +Nghiên cứu tổng quan hệ thống SCADA +Nghiên cứu thuật tốn truyền thơng IEC 60870-5-104 +Nghiên cứu lập trình giải pháp tích hợp chuẩn truyền thơng thiết kế mạch tích hợp + Tạo sản phẩm thu thập, giám sát liệu từ xa + Đánh giá độ tin cậy thuật toán C C + Chạy thử chƣơng trình, kiểm tra tƣơng thích giao thức truyền thơng với hệ thống SCADA SYS 600 Ý nghĩa khoa học thực tiễn R L T DU Kết đề tài ứng dụng vào thực tiễn triển khai đề án phát triển Lƣới điện thông minh EVN - Vận hành tối ƣu tụ bù trung áp lƣới - Dựa vào thơng số đầu nguồn để đƣa tín hiệu đóng cắt tụ bù - Các giá trị để đóng cắt tụ bù đƣợc đặt Scada, tự động đóng cắt tụ bù thơng số kháng đầu nguồn nằm ngồi dải đƣợc cài đặt - Tình trạng vận hành tụ bù đƣợc cập nhật kịp thời, dễ dàng theo dõi trạng thái làm việc tụ bù - Việc giám sát đƣợc tình trạng vận hành tụ bù góp phần giảm tổn thất, nâng cao chất lƣợng điện lƣới [3] - Có thể mở rộng nâng cấp dễ dàng cho thiết bị thông minh khác - Tận dụng đƣợc tụ bù lắp lƣới mà không cần phải thay tụ bù có giao thức truyền thơng buf[12]=30; buf[13]=0; buf[14]=0; Lockout=Lockout+1; buf[15]=Lockout&0x01; C C client.write(buf, buf[1]+2); sas=sas+1; buf[0]=0x68; buf[1]=0x19; buf[2]=sas*2; buf[3]=0; buf[4]=ras*2; buf[5]=0; buf[6]=0x24; buf[7]=0x81; buf[8]=0x14; buf[9]=0; DU R L T buf[10]=0x3C; buf[11]=0; buf[12]=03; buf[13]=0; buf[14]=0; U_A=U_A+0.1; unsigned char *chptr=0; chptr = (unsigned char *)&U_A; C C buf[15]=*chptr++; buf[16]=*chptr++; R L T buf[17]=*chptr++; buf[18]=*chptr++; buf[19]=0x00; DU client.write(buf, buf[1]+2); sas=sas+1; TCNT1=3036; } C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... giải pháp đƣa để kết nối tủ Mcap hệ thống Mini Scada ABB SYS600: ? ?Nghiên cứu chế tạo thiết bị tích hợp ứng dụng kết nối tụ bù trung áp 22KV vào hệ thống SCADA ABB SYS600? ?? 16 1.8 Kết luận Hệ thống. .. Việc nghiên cứu chế tạo thiết bị tích hợp ứng dụng kết nối tụ bù trung áp 22KV vào hệ thống SCADA ABB SYS600 nhằm giải thách thức đặt GLPC C C R L T Từ khóa: IEC 60870-5-104, tích hợp tụ bù Mcap... để khắc phục đƣa định đắng Bên cạnh kết hợp với giải pháp ? ?Nghiên cứu chế tạo thiết bị tích hợp ứng dụng kết nối tụ bù trung áp 22KV vào hệ thống SCADA ABB SYS600? ?? giúp cho việc vận hành trào