Luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối sử dụng scada

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP o0o - Nguyễn Đức Mùi NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG CHO TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI SỬ DỤNG SCADA LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203 KHOA CHUYÊN MÔN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN TS Đào Huy Du THÁI NGUYÊN – 2017 PHÕNG ĐÀO TẠO I LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Đức Mùi Sinh ngày: 05 tháng 03 năm 1990 Học viên lớp cao học khóa 18 Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác tại: tự Xin cam đoan luận văn: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG CHO TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI SỬ DỤNG SCADA” thầy giáo TS Đào Huy Du hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 22 tháng 12 năm 2017 Học viên Nguyễn Đức Mùi II LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ thầy giáo TS Đào Huy Du, luận văn với luận văn “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG CHO TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI SỬ DỤNG SCADA” hoàn thành Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn TS Đào Huy Du tận tình dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp, Đại học Thái Nguyên số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ suốt q trình học tập để hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết sức, song điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân cịn ít, luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tơi mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, giáo bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 22 tháng 12 năm 2017 Học viên Nguyễn Đức Mùi III LỜI NÓI ĐẦU Trạm điện phân phối đóng vai trị quan trọng hệ thống truyền tải điện đến người sử dụng Do phát triển mạnh mẽ hệ thống lượng điện quốc gia nhu cầu sử dụng điện xã hội ngày lớn với phát triển kinh tế Dẫn đến ngày xuất nhiều nhà máy điện trạm biến áp có công suất lớn với mạng lưới phân phối điện phức tạp Việc giải đắn vấn đề kinh tế – kỹ thuật thiết kế, xây dựng vận hành chúng mang lại lợi ích khơng nhỏ kinh tế quốc dân nói chung ngành điện cơng nghiệp nói riêng Để đảm bảo cho việc cung cấp điện tốt đòi hỏi phải xây dựng hệ thống điện gồm khâu sản xuất, truyền tải phân phối điện hoạt động cách thống với Trong trạm phân phối với biến áp trung gian đóng vai trị quan trọng muốn truyền tải điện xa giảm điện áp xuống thấp cho phù hợp nơi tiêu thụ ta dùng biến áp kinh tế thuận tiện Việc điều hành giám sát trạm điện phân phối yêu cầu số lượng nhân công lớn Với phát triển mạnh mẽ hệ thống tự động hóa, giám sát trình ứng dụng vào nhiều lĩnh vực công nghiệp, đời sống xã hội Luận văn: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG CHO TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI SỬ DỤNG SCADA” Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng mạng SCADA thực điều khiển giám sát thông số trạm điện phân phối Nâng cao tính tự động hóa hoạt động vận hành, giám sát trạm điện phân phối Giảm nhân công trình vận hành hoạt động trạm Nội dung thuyết minh chia thành 04 chương:  Chương 1: Tổng quan trạm điện phân phối  Chương 2: Mạng SCADA ứng dụng trạm điện phân phối  Chương 3: Thiết bị logic khả trình PLC Siemen ứng dụng hệ SCADA  Chương Thiết kế - thi công tủ SCADA cho trạm phân phối IV MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II LỜI NÓI ĐẦU III MỤC LỤC IV CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.1 Giới thiệu hệ thống điện Việt Nam 1.2 Tổng quan trạm biến áp 1.3 Trạm biến áp phân phối 1.3.1 Đặc điểm trạm phân phối 1.3.2 Cấu trúc trạm phân phối 1.3.3 Hệ thống điều khiển trạm phân phối 10 1.4 SCADA tự động hóa trạm biến áp 11 1.4.1 Các yêu cầu với hệ thống tự động hóa trạm biến áp 12 1.4.2 Một số ưu điểm hệ thống TĐH SCADA 13 1.4.3 Hiện trạng tự động hoá trạm biến áp 15 1.5 Khái niệm chung 15 1.5.1 Cấu trúc hệ thống SCADA 16 1.5.2 Phân cấp chức hệ SCADA 16 1.5.3 Hệ thống quản lý lượng EMS 19 1.5.4 Hệ thống DMS 19 1.6 Sơ đồ khối hệ thống SCADA 20 1.7 Thiết bị đầu cuối xa RTU 20 1.7.1 Các thành phần RTU 22 1.7.2 Phân hệ truyền thông 23 1.7.3 Phân hệ logic 23 1.7.4 Phân hệ đầu cuối 25 1.7.5 Phân hệ kiểm tra giao diện người máy 25 1.7.6 Các tính khác RTU 26 1.8 Thiết bị điện tử thông minh IED 27 V 1.8.1 Sơ đồ chức IED 28 1.8.2 Cấu trúc IED 28 1.8.3 Phân hệ truyền thông 29 1.8.4 Các tính nâng cao IED 29 1.9 Hệ thống truyền thông SCADA 30 1.10 Giao diện người máy HMI 31 1.11 Các chức SCADA trạm biến áp 31 1.12 Kết luận chương 32 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SCADA ĐIỆN LỰC .33 2.1 Khái quát chung 33 2.2 Các yêu cầu truyền thông SCADA hệ thống điện .33 2.2.1 Chất lượng dịch vụ (QoS) 35 2.2.2 Tính tương đồng 35 2.2.3 Khả bảo mật 35 2.2.4 Sự chuẩn hóa 35 2.3 Các cấu trúc truyền thông SCADA 35 2.3.1 Liên kết điểm – điểm đa điểm 36 2.3.2 Cấu trúc bus 36 2.3.3 Cấu trúc mạch vòng (Ring) 37 2.3.4 Cấu trúc hình (Star) 38 2.3.5 Cấu trúc lưới (Mesh) 38 2.3.6 Cấu trúc lai 39 2.3.7 Luồng liệu 39 2.4 Các kỹ thuật truyền thông liệu SCADA 39 2.4.1 Chủ - tớ (Master – slave) 39 2.4.2 Peer – to – peer 40 2.4.3 Multi – peer 40 2.5 Truyền thông liệu 40 2.5.1 Các thành phần hệ thống truyền thông liệu 41 2.5.2 Truyền dẫn tín hiệu số 41 2.5.3 Các chế độ truyền thông 42 VI 2.5.4 Các kỹ thuật phát lỗi 43 2.5.5 Các kỹ thuật điều khiển truy nhập đường truyền 44 2.6 Kiến trúc giao thức truyền thông SCADA 47 2.6.1 Mơ hình tầng OSI 48 2.6.2 Mơ hình EPA 51 2.6.3 Mơ hình TCP/IP 53 2.7 Các giao thức SCADA Smart Grid 54 2.7.1 Giao thức Modbus 54 2.7.2 Giao thức Profibus 55 2.7.3 Giao thức Profinet 56 2.7.4 IEC 60870-5-101 57 2.7.5 DNP3 60 2.7.6 ICCP 61 2.7.7 Ethernet 62 2.7.8 IEC61850 63 2.7.9 Chuẩn đồng pha IEEE C37.118 65 2.8 Môi trường truyền thông SCADA smart grid 67 2.8.1 Cáp xoắn đôi 68 2.8.2 Cáp đồng trục 68 2.8.3 Cáp sợi quang 69 2.8.4 Truyền thông đường dây điện lực PLCC 69 2.8.5 Truyền thông điện thoại 70 2.9 Truyền thông không dây 71 2.9.1 Thông tin vệ tinh 71 2.9.2 Radio (VHF, UHF) 72 2.9.3 Viba 72 2.10 Kết luận chương 73 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ MƠ HÌNH TRUYỀN THƠNG CHO TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI 74 3.1 Mơ hình trạm biến áp phân phối 74 3.2 Yêu cầu thiết kế với hệ thống truyền thông SCADA 76 VII 3.3 Mơ hình hệ thống truyền thông SCADA 77 3.3.1 Cấu trúc truyền thông 77 3.3.2 Đồng hồ đa Selec MFM – 384 78 3.3.3 Bộ điều khiển S7 – 1200 82 3.3.4 Mô đun truyền thông CM 1241 RS422/RS485 88 3.4 Tủ điều khiển giám sát SCADA cho trạm điện phân phối 91 3.5 Kết luận chương 92 CHƢƠNG 4: LẬP TRÌNH TRUYỀN THƠNG SCADA TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI 93 4.1 Giới thiệu phần mềm TIA Portal: 93 4.2 Lập trình truyền thơng Modbus RTU với CM 1241 98 4.2.1 Cài đặt mô đun CM 1241 Project 98 4.2.2 Cấu hình mô đun truyền thông CM 1241 99 4.2.3 Lập trình truyền thơng Modbus RTU 99 4.3 Lập trình truyền thông Ethernet .104 4.4 Lập trình cho điều khiển PLC .106 4.4.1 Thuật toán chương trình 106 4.4.2 Chương trình điều khiển 108 4.5 Lập trình giao diện điều khiển giám sát 113 4.5.1 Màn hình 113 4.5.2 Giao diện điều khiển, giám sát 113 4.5.3 Giám sát thông số theo thời gian 115 4.5.4 Bản ghi nhật ký cố 116 4.5.5 Cài đặt thông số 117 4.6 Kết luận chương .117 KẾT LUẬN 118 Kết luận 118 Hướng phát triển luận văn 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.1 Giới thiệu hệ thống điện Việt Nam Hệ thống điện Việt Nam quản lý điều hành Tập đồn Điện lực Việt Nam (EVN) Mơ hình hệ thống điện chia thành ba khâu gồm: Phát điện, truyền tải phân phối  Khâu phát điện: Bao gồm nhà máy điện thủy điện, nhiệt điện, phong điện, thực biến đổi dạng lượng khác thành điện Các nhà máy điện thuộc quyền quản lý Tổng công ty phát điện 1, 2, 3, số thuộc EVN, số khác thuộc đơn vị ngành điện Tập đồn dầu khí Việt Nam, Tập đồn than khống sản Việt Nam  Khâu truyền tải: Bao gồm hệ thống trạm biến áp 500 kV, 220 kV hệ thống lưới truyền tải, có chức truyền tải điện tới vùng khác  Khâu phân phối: Bao gồm hệ thống điện trạm 110 kV, 35 kV, 22 kV, trạm điện phân phối, khách hàng hệ thống lưới phân phối Đây khâu cuối việc cung cấp điện tới người tiêu dùng Các trạm phân phối thuộc quyền quản lý Tổng Công ty Điện lực miền Bắc, Trung, Nam…  Hệ thống truyền tải điện: Hiện sử dụng cấp điện áp cấp điện áp: 500kV, 220kV, 110kV 66kV Tuy nhiên số nơi sử dụng cấp điện áp 66kV tương lai gần cấp điện áp không sử dụng cho truyền tải điện Việt Nam Công tác vận hành bảo dưỡng hệ thống truyền tải điện chủ yếu Công ty truyền tải điện đảm nhiệm chủ yếu, nhiên thực tế có số đường dây truyền tải điện TBA 110kV, 66kV Điện lực quản lý vận hành bảo dưỡng Công ty truyền tải điện có trụ sở đóng Hà Nội, quản lý vận hành bảo dưỡng toàn lưới điện có cấp điện áp 500kV, 220kV số đường dây 110kV, TBA 110kV thuộc địa phận tỉnh từ Hà Tĩnh trở Các Điện lực Bắc Miền Trung Miền Bắc quản lý đường dây TBA 110kV trở xuống Công ty truyền tải điện có trụ sở đóng Đà Nẵng, quản lý tồn đường dây TBA có cấp điện áp 500kV, 220kV hầu hết đường dây TBA có cấp điện áp 110kV thuộc địa bàn tỉnh từ Quảng Bình đến Quảng Ngãi Kon Tum Cơng ty truyền tải điện đóng Nha Trang, quản lý toàn đường dây TBA có cấp điện áp 500kV, 220kV đa số đường dây TBA có cấp điện áp 110kV từ Bình Định vào đến Cam Ranh tỉnh Gia Lai, Đăk Lăk, Đăk Nông Công ty truyền tải điện có trụ sở thành phố Hồ Chí Minh, quản lý tồn đường dây TBA có cấp điện áp 500kV, 220kV khu vực Nam Trung (Ninh Thuận trở vào), Miền Nam Lâm Đồng Các Điện lực từ tỉnh Ninh Thuận trở vào đa số quản lý đường dây TBA110kV trở xuống Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 106 Mở giao diện PG/ PC máy trạm qua "Start > Control panel > Set PG/PC interface" Bên access point "S7ONLINE (STEP 7)" "Interface Parameter Assignment Used", chọn "TCP/IP  Ethernet adapter used" Hồn tất việc cấu hình tải Project xuống điều khiển S7 - 1200 trạm Runtime 4.4 Lập trình cho điều khiển PLC 4.4.1 Thuật tốn chƣơng trình Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối Tại chỗ Không Truyền liệu lên HMI END Hình 4-3: Thuật tốn điều khiển PLC Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thơng cho trạm điện phân phối 108 4.4.2 Chƣơng trình điều khiển Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 109 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 110 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 111 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 112 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 113 4.5 Lập trình giao diện điều khiển giám sát Sau tham khảo số giao diện HMI trạm điện, học viên lập trình giao diện HMI cho mơ hình trạm điện phân phối đề cập Chương kết sau: 4.5.1 Màn hình Đây giao diện sau khởi động chương trình Người dùng ấn vào nút "Login" để đăng nhập hệ thống, ấn nút "Exit" để kết thúc chương trình điều khiển Để thực chức hệ thống SCADA (Điều khiển, giám sát, lưu trữ, cài đặt, …) yêu cầu người dùng phải đăng nhập vào chương trình Hình 4-4: Giao diện hình 4.5.2 Giao diện điều khiển, giám sát Từ hình giao diện, người vận hành giám sát thơng số trạm: dịng điện, điện áp, cơng suất (P, Q, S), lượng, tần số hệ số công suất Trạng thái đóng, cắt dao cách ly, máy cắt Khi thơng số dịng điện, điện áp trạm vượt thấp giá trị ngưỡng đặt trước cảnh báo tương ứng nhấp nháy (chu kỳ 1s) phần cảnh báo cố để người vận hành nhận biết kịp thời xử lý Đồng thời liệu cảnh báo lưu lại hình "Nhật ký cố" Dưới minh họa trường hợp trạm hoạt động bình thường xảy cố sụt áp pha A & B Để đóng/cắt dao cách ly máy cắt, người vận hành ấn vào nút "ON", "OFF" tương ứng với vị trí thiết bị Chương trình cho phép liên động mềm máy cắt dao cách ly, lệnh mở dao cách ly không thực máy cắt đóng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 114 Lưu ý: trạm chưa làm việc (Máy cắt/ dao cách ly mở) trạng thái phần tử mang điện (máy cắt, đường dây, phụ tải) có màu đen Khi trạm làm việc (Máy cắt & DCL đóng), trạng thái phần tử mang điện thể màu đỏ Hình 4-5: Giao diện điều khiển, giám sát trạm chưa làm việc Hình 4-6: Giao diện điều khiển, giám sát trạm làm việc bình thường Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 115 Hình 4-7: Giao diện điều khiển, giám sát xảy cố sụt áp pha A B 4.5.3 Giám sát thông số theo thời gian Người vận hành quan sát biến động thơng số trạm biến áp (dịng điện, điện áp, công suất, …) theo thời gian thực Các thơng số quan sát dạng đồ thị dạng bảng Khi dạng bảng, giá trị thơng số lưu lại ổ cứng dạng file: csv, phục vụ cho việc đánh giá, phân tích sau Hình 4-8: Đồ thị giám sát thông số trạm biến áp Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 116 Hình 4-9: Bảng giám sát thơng số trạm biến áp 4.5.4 Bản ghi nhật ký cố Các cảnh báo cố xảy trình vận hành trạm biến áp theo dõi ghi lại Dưới dây minh họa trường hợp xảy cố sụt áp pha A & B Giá trị tức thời đại lượng gây cố ghi lại Hình 4-10: Bảng giám sát thơng số trạm biến áp Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 117 4.5.5 Cài đặt thông số Giao diện cho phép cài đặt, thay đổi thông số cho trạm biến áp: giá trị giới hạn trên, giới hạn dịng điện, điện áp Hình 4-11: Giao diện cài đặt thông số trạm biến áp 4.6 Kết luận chƣơng Chương trình bày bước tiến hành thiết kế - thi công tủ SCADA để điều khiển – giám sát trạm phân phối Mô hình thực trình hoạt động điều khiển giám sát tủ phân phối thu thập liệu dịng điện, điện áp, cơng suất, lượng, hệ số công suất, tần số, … Thực thiết kế cho hình giám sát từ xa cho trạm điện phân phối Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 118 KẾT LUẬN Kết luận Nhiệm vụ luận văn nghiên cứu thiết kế, thi công hệ SCADA cho trạm điện phân phối Luận văn phân tích, cấu trúc, hoạt động trạm phân phối từ ứng dụng tảng PLC Siemen để thiết kế hệ SCADA với chức giám sát/điều khiển Luận văn tính chọn thiết bị, lắp đặt tủ mơ hình điều khiển, giám sát cho trạm phân phối Lập trình giao diện kết nối với PLC cho phép giám sát từ xa trạm điện, qua luận văn đạt được: - Nghiên cưu hệ thống điện quốc gia - Nguyên cứu lưới điện truyền tải, phân phối - Nghiên cứu hệ SCADA ứng dụng - Nghiên cứu, ứng dụng hệ SCADA lưới phân phối - Viết phương trình phần mềm điều khiển - Tiến hành mô phỏng, hiệu chỉnh, đánh giá kết Hƣớng phát triển luận văn Luận văn thiết kế xây dựng mô hình tủ điều khiển giám sát cho trạm phân phối, sở phát triển: - Hồn thiện thiết kế thử nghiệm ứng dụng vào trạm điện phân phối Chỉnh sửa giao diện hình giám sát cho phù hợp với trình vận hành trạm phân phối … Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 1996 [2] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2007 [3] Phần tử tự động hệ thống điện – PTS Nguyễn Hồng Thái [4] Tự động hoá với Simatic S7-300 – Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2002 [5] Mạng truyền thơng cơng nghiệp – Hồng Minh Sơn Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2006 [6] Nguyễn Kim Ánh Nguyễn Mạnh Hà, 2007 Giáo trình – Mạng truyền thông công nghiệp [7] “Convergence Task Force Report,” President’s National Security Telecommunications Advisory Committee, Washington, DC, June 2001 [8] J Walrand and P Varaiya, High Performance Communication Networks, Second Edition, San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 2000 [9] Bin Qiu, Hoay Beng Gooi, Yilu Liu, Eng Kiat Chan, Internet-based SCADA display system, Computer Applications in Power, IEEE , Volume: 15 , Issue: , Jan 2002 [10] Ghoshal, K., Douglas, L.D., GUI display guidelines drive winning SCADA projects, Computer Applications in Power, IEEE , Volume: , Issue: , April 1994 [11] Dagle, J.E., Widergren, S.E., Johnson, J.M., Enhancing the security of supervisory control and data acquisition (SCADA) systems: the lifeblood of modern energy infrastructures, Power Engineering Society Winter Meeting, 2002 IEEE, Volume: 1, 27- 31 Jan 2002 [12] Zecevic, G., Web based interface to SCADA system, Power System Technology, 1998 Proceedings POWERCON Conference on, Volume: 2, 18-21 Aug 1998 '98 1998 International [13] Mini S Thomas, John D Mcdonald (2015), Power System SCADA and Smart Grids, CRC Press [14] David Bailey, Edwin Wright (2003), Practical SCADA for industry, Elsevier Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối ... xuống Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối  Hệ thống lƣới điện phân phối: Do điều kiện lịch sử để lại, nay, hệ thống lưới điện phân phối Việt Nam bao gồm nhiều cấp điện. .. phí vận hành trạm Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối 33 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SCADA ĐIỆN LỰC 2.1 Khái quát chung Hệ thống truyền thơng SCADA đóng vai... thể thiết bị công suất trạm hiển thị đồ họa Trên thực tế, cần thiết lập sử dụng thư viện tất TBA kết hợp với hệ thống khác hệ thống hệ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân