Xây dựng giao diện vận hành và giám sát điện năng cho phòng thí nghiệm năng lƣợng tái tạo - Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (17)

Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: “Xây dựng giao diện vận hành giám sát điện cho phịng thí nghiệm lƣợng tái tạo” trường Đại học Bách khoa Hà Nội em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Huy Phương Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 5, tháng 1, năm 2017 Sinh viên thực Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO 1.1 Vấn đề lượng xu hướng phát triển nguồn lượng 1.2 Các nguồn lượng tái tạo 10 1.2.1 Năng lượng gió 10 1.2.2 Năng lượng mặt trời (NLMT) 12 1.2.3 Thủy điện 15 1.2.4 Năng lượng sinh khối 16 1.2.5 Năng lượng đại dương 18 1.2.6 Năng lượng địa nhiệt 20 1.3 Sử dụng vận hành nguồn lượng tái tạo 20 1.4 Kết luận 22 Chƣơng 24 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 24 2.1 Tổng quan chung 24 2.2 Sự phân cấp chức hệ thống SCADA 25 2.3 Các chức hệ thống SCADA 26 2.4 Cấu trúc hệ thống SCADA 28 2.5 Cấu trúc phần cứng SCADA 29 2.6 Cấu trúc phần mềm SCADA 31 2.7 Truyền thông SCADA 32 2.8 Kết luận 33 Chƣơng 35 Mục lục THIẾT KẾ CHƢƠNG TRÌNH GIÁM SÁT VÀ VẬN HÀNH ĐIỆN NĂNG TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM PHÁT TRIỂN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO 35 3.1 Giới thiệu chung hệ thống 35 3.1.1 Nguyên lý hoạt động chung hệ thống 35 3.1.2 Các thành phần hệ thống 37 3.2 Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát điện phịng thí nghiệm 39 3.2.1 Mơ hình giám sát điều khiển hệ thống điện 39 3.2.2 Thiết kế phần cứng 41 3.2.3 Xây dựng chương trình 47 3.3 Kết luận 54 CHƢƠNG 4: 56 MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 56 4.1 Các hình giao diện giám sát điều khiển 56 4.1.1 Màn hình HOME 56 4.1.2 Màn hình MAIN 56 4.1.3 Màn hình giám sát thơng số từ nguồn điện 57 4.1.4 Màn hình giám sát điện cho hệ thống phụ tải 60 4.2 Mô 61 KẾT LUẬN 65 PHỤ LỤC 66 Kết nối truyền thông hệ thống giám sát 66 Thông số kỹ thuật thiết bị 66 Danh mục hình vẽ bảng biểu DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU Hình 1.1: Lượng thải CO2 sinh sử dụng lượng hóa thạch (tỉ CO2) Hình 1.2: Tổng cơng suất nguồn lượng tái tạo giới [14] 10 Hình 1.3: Cơng suất điện gió tồn giới (1996-2012) 11 Hình 1.4: Sử dụng lượng mặt trời 13 Hình 1.5: Cơng suất điện mặt trời tồn giới ( 1995-2012) 14 Hình 1.6: Hình ảnh nhà máy thủy điện Nga 15 Hình 1.7: Quá trình biến đổi sinh khối thành dạng lượng 17 Hình 1.8: Nhà máy sản xuất điện từ lượng thủy triều 19 Hình 1.9: Mơ hình hoạt động nhà máy địa nhiệt 20 Hình 1.10: Sử dụng vận hành nguồn lượng tái tạo 21 Hình 1.11: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới 21 Hình 2.1: Một hệ thống vận hành giám sát hệ thống điện 24 Hình 2.2: Sự phân cấp SCADA 25 Hình 2.3: Cấu trúc phần cứng hệ thống SCADA 29 Hình 2.3: Cấu trúc phần mềm SCADA 31 Hình 3.1: Mơ hình chung hệ thống 40 Hình 3.2: Modul CPU314 C – 2PN/DP 42 Hình 3.3: Modul SM 321 DI32xDC24V/0.5A 42 Hình 3.4: Modul 322 DO16xDC24V/0.5A 43 Hình 3.5: Đồng hồ đo điện 3200/4200 43 Hình 3.6: MCCB SIEMENS 3P-40A-25Ka-3VT1704 44 Hình 3.7: Cảm biến nhiệt độ PT100 Tranmiiter MST110 45 Danh mục hình vẽ bảng biểu Hình 4.1: Màn hình HOME 56 Hình 4.2: Màn hình MAIN 57 Hình 4.3: Màn hình giám sát điện gió 58 Hình 4.4: Màn hình giám sát hệ thống điện mặt trời 58 Hình 4.5: Màn hình giám sát điện từ kho ắc quy 59 Hình 4.6: Màn hình giám sát hệ thống điện từ lưới điện quốc gia 59 Hình 4.7: Màn hình giám sát hệ thống điện từ máy phát 60 Hình 4.8: Hệ thống phân phối cho phụ tải 61 Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Vấn đề lượng vấn đề mà tất nước giới quan tâm vì, ảnh hưởng trực tiếp đến phát triển kinh tế xã hội Nhất tình trạng nguồn lượng hóa thạch dần cạn kiệt Vì để đảm bảo vấn đề an ninh lượng hướng nghiên cứu, phát triển nguồn lượng mới, nguồn lượng vơ tận, có khả tái tạo Đó hướng bền vững, góp phần giảm thiểu vấn đề ô nhiễm môi trường, phát triển bền vững kinh tế xã hôi Các nguồn lượng tái tạo dần thay nguồn lượng hóa thạch gần cạn kiệt vịng 200 năm tới Việc tích hợp vận hành hệ thống điện từ nguồn lượng tái tạo quan tâm, đặc điểm yêu cầu kĩ thuật vận hành chung với hệ thống điện truyền thống Hiện hệ thống SCADA ngày phát triển ứng dụng nhiều thống, q trình cơng nghiệp nói chung hệ thống điện nói riêng Trong đồ án tốt nghiệp em giao đề tài: “Xây dựng giao diện vận hành giám sát điện cho phịng thí nghiệm lƣợng tái tạo” với nội dung đồ án gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan nguồn lượng tái tạo Chương 2: Tổng quan hệ thống giám sát điều khiển hệ thống điện Chương 3: Thiết kế giao diện vận hành giám sát điện phịng thí nghiệm phát triển nguồn lượng tái tạo Chương 4: Mô kết luận Sau ba tháng hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Nguyễn Huy Phương thầy cô giáo mơn Tự động hóa cơng nghiệp, đồ án em hoàn thiện Do thời gian làm đồ án ngắn khả hạn chế, chắn đồ án em cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận đóng góp thầy bạn Lời nói đầu Hà nội, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực Chương 1: Tổng quan nguồn lượng tái tạo Chƣơng TỔNG QUAN VỀ CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO Hiện nay, nguồn lượng hóa thạch dần cạn kiệt trữ lượng có hạn mà nhu cầu sử dụng ngày tăng Trong tiềm phát triển nguồn lượng mới, nguồn lượng tái tạo, nguồn lượng lớn, việc phát triền nguồn lượng tái tạo hướng góp phần giảm thiểu tình trạng cạn kiệt nguồn lượng hóa thạch, phát triển bền vũng kinh tế xã hội, giảm thiểu ô nhiễm môi trường việc sử dụng nguồn lượng hóa thạch gây 1.1 Vấn đề lƣợng xu hƣớng phát triển nguồn lƣợng Năng lượng từ lâu trở thành nhân tố tác động trực tiếp đến phát triển kinh tế, xã hội hầu hết quốc gia giới Hiện phát triển mạnh mẽ công nghiệp với phát triển kinh tế xã hội nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng lên nhanh chóng Theo dự báo quan thông tin lượng (EIA) vào năm 2004, vòng 24 năm từ năm 2001 đến năm 2025 mức tiêu thụ lượng giới tăng 54% mà nhu cầu chủ yếu rơi vào quốc gia phát triển mạnh mẽ Trung Quốc, Ấn Độ… Về lượng chia làm dạng:  Năng lượng khơng tái tạo như: lượng hóa thạch, lượng nguyên tử…  Năng lượng tái tạo (NLTT) như: lượng mặt trời, gió, thủy điện, địa nhiệt, sinh khối Năng lượng hóa thạch sinh từ q trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch chủ yếu than đá dầu mỏ Dầu mỏ than đá nguồn lượng quan trọng người nhiều năm qua, nhiên việc sử dụng nguồn lượng có gây ảnh hưởng lớn đến mơi trường sinh nhiều khí có hại đến môi trường như: CO2, Chương 1: Tổng quan nguồn lượng tái tạo SO2… Nguồn lượng hóa thạch chiếm 90% tổng nhu cầu lượng toàn giới đến năm 2025 Tuy nhiên, nguồn lượng hóa thạch dần cạn kiệt thêm vào vấn đề mơi trường nảy sinh trình khai thác sử dụng nguồn lượng gây hiệu ứng nhà kính Hình 1.1: Lượng thải CO2 sinh sử dụng lượng hóa thạch (tỉ CO2) Theo dự đốn nguồn lượng hóa thạch bị cạn kiệt vịng 200 năm tới Vì việc sử dụng có hiệu nguồn lượng hóa thạch nghiên cứu, phát triển nguồn lượng vấn đề cấp thiết Việc nghiên cứu phát triển nguồn lượng tái tạo góp phần giải vấn đề lượng nay, góp phần xây dựng kinh tế bền vững đôi với việc bảo vệ môi trường Dù chiếm tỷ trọng khiêm tốn NLTT đà phát triển đầu tư mạnh mẽ với phát triển khoa học kỹ thuật Tăng nhanh điện mặt trời 60%, tiếp đến điện gió 25%, nhiên liệu sinh học 17% năm Dù NLTT hướng phát triển mang tính bền vững bên cạnh cịn số hạn chế u cầu kỹ thuật cao, phụ thuộc nhiều vào thời tiết, chi phí đầu tư ban đầu cao Các hệ thống NLTT lớn nhà máy điện mặt trời, nhà máy điện gió xây dựng ngày nhiều, góp phần giải vấn đề lượng, tương lai nguồn NLTT thay hoàn toàn nguồn lượng hóa thạch Chương 1: Tổng quan nguồn lượng tái tạo Hình 1.2: Tổng công suất nguồn lượng tái tạo giới [14] Dưới giới thiệu số nguồn lượng tái tao 1.2 Các nguồn lƣợng tái tạo Năng lượng tái tạo coi nguồn lượng vô tận, không cạn kiệt điển nguồn lượng từ xạ mặt trời, địa nhiệt, nguồn lượng có khả tái tạo lại khoảng thời gian ngắn liên tục Có nhiều nguồn lượng tái tạo như: lượng gió, lượng mặt trời, thủy triều, sinh khối… 1.2.1 Năng lƣợng gió Năng lượng gió tao từ việc chuyển hóa động dịch chuyển khơng khí làm quay cánh quạt tua bin gió biến thành điện Năng lượng gió đánh giá lượng thân thiện với môi trường, không gây khí thải, tiếng ồn… Ưu điểm nguồn lượng gió là:  Là nguồn lượng hồn tồn sạch, q trình sử dụng lượng gió khơng gây ô nhiễm không khí, mưa a-xít, chất thải, không gây xạ, hay phóng xạ…  Là nguồn lượng vô tận: theo thống kê cần lắp đặt 6% vùng có gió Hoa Kỳ cung cấp đến 150% điện 10 Chương 4: Mơ kết luận Hình 4.5: Màn hình giám sát điện từ kho ắc quy Hình 4.6: Màn hình giám sát hệ thống điện từ lưới điện quốc gia 59 Chương 4: Mô kết luận Hình 4.7: Màn hình giám sát hệ thống điện từ máy phát 4.1.4 Màn hình giám sát điện cho hệ thống phụ tải Màn hình giám sát hệ thống phụ tải (Hình 4.8) bao gồm:  Sơ đồ hệ thống phân phối cho phụ tải  Hiển thị thông số đo từ đồng hồ bao gồm: điện áp, dịng điện,hệ số cơng suất, điện tiêu thụ Đối với dịng điện từ tủ phân phối hiển thị thêm thông số chất lượng dịng điện 60 Chương 4: Mơ kết luận Hình 4.8: Hệ thống phân phối cho phụ tải 4.2 Mô Dưới em vào phần mơ chương trình xây dựng Phần mơ mô chức hệ thống xây dựng bao gồm:  Hiển thị lên giao diện giám sát thông số đo từ đồng hồ giám sát lượng (các thông số hiển thị khơng sát với hệ thống thực)  Vận hành đóng cắt, hiển thị trạng thái MCCB  Thiết lập thông số để đưa số cảnh báo  Lưu trữ báo cáo liệu  Đáp ứng phần tính thẩm mỹ của, đáp ứng đầy đủ yêu cầu hệ thống đặt a) Hiển thị thông số hệ thống: 61 Chương 4: Mô kết luận 62 Chương 4: Mơ kết luận b) Vận hành đóng cắt, giám sát trạng thái hoạt động MCCB Chú thích: Trạng thái đèn xanh nhấp nháy thể trạng thái ON MCCB c) Thiết lập thông số đưa số cảnh báo Có cửa sổ cấu hình hệ thống cho phép cài đặt ngưỡng để đưa cảnh báo/báo động cho thông số Đưa cảnh báo/báo động màu sắc, âm để người vận hành can thiệp vào hệ thống cách kịp thời hệ thống có cố Ở ta hiển thị cảnh báo 63 Chương 4: Mô kết luận đèn đỏ giá trị vượt ngưỡng giá trị đặt Ngoài chức cho phép lưu trữ tất thông tin chi tiết gây cảnh báo để người vận hành hình dung cố sảy trình vận hành d) Chức báo cáo lưu trữ liệu Lưu trữ liệu hệ thống để làm sở báo cáo, phục vụ cho công tác quản lý, đánh giá hệ thống 64 Kết luận KẾT LUẬN Sau thời gian làm đồ án tốt nghiệp vời nhiệm vụ “Xây dựng hệ thống vận hành giám sát điện phòng thí nghiệm lƣợng tái tạo” em tổng hợp nhiều kiến thức tích lũy giảng đường năm học Em xin chân thành cảm ơn bảo nhiệt tình thầy giáo TS.Nguyễn Huy Phương, thầy cô giáo môn Tự động hố Cơng nghiệp giúp đỡ bạn giúp em hoàn thành đồ án Em thu kết cụ thể sau:  Tìm hiểu nguồn lượng tái tạo, hướng phát triển cho ngành công nghiệp lượng tương lai  Hiểu rõ hệ thống giám sát điều khiển hệ thống điện  Tiếp xúc với hệ thống vận hành nguồn lượng tái tạo thực tế  Xây dựng chương trình giám sát điện phịng thí nghiệm Hướng phát triển:  Xây dựng giao diện với đồ họa đẹp hơn, đầy đủ chức hệ thống SCADA  Đây tiền đề để em tìm hiểu rõ hệ thống giám sát hệ thống điện lớn SCADA trạm biến áp 110KV, hệ thống giám sát điện tòa nhà Do thời gian lực thân hạn chế nên kết em chắn cịn nhiều thiếu sót, em mong dạy đóng góp ý kiến thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực Thịnh Trần Văn Thịnh 65 Phụ lục PHỤ LỤC Kết nối truyền thông hệ thống giám sát Trạm máy tính giám sát Cáp Ethernet PLC điều khiển Cáp Profibus EVN LOAD PAC4200 PAC4200 SOLAR PAC3200 WIND PAC3200 ACQUI GENERATOR MOTOR LIGHT PAC3200 PAC3200 PAC3200 PAC3200 Thông số kỹ thuật thiết bị a) PLC  Thông số kỹ thuật CPU CPU314 C-2PN/DP: - Mã sản phẩm: 6ES7314-6EH04-0AB0 - Điện áp làm việc 24V, dải điện áp : 19.2V- 28.2V - Bộ nhớ làm việc 192 KB - 24 DI/16 DO - AI/2 A0 - Có giao diện MPI/DP giao diện PROFINET - Kích thước W.H.D: 120x125x130 (mm) - Khối lượng: 730g 66 COOLLING SOCKET PAC3200 PAC3200 Phụ lục  Modul mở rộng đầu vào số SM 321; DI 32 x DC 24 V Thông số modul: - Mã sản phẩm: 6ES7321-1BL00-0AA0 - Kích thước W.H.D: 50x125x120mm - Điện áp 24V/DC, dải điện áp: 20.4-28.8 V/DC - Công suất: 6.5 W - Khối lượng: 260g - Số chân 32 - Mức logic: Mức “1” tương ứng 13V-30V, mức “0” tương ứng -30V-5V  Modul mở rộng đầu số 322 DO16xDC24V/0.5A Thông số bản: - Mã sản phẩm: 6ES7322-1BH01-0AA0 - Kích thước: 40x125x117mm - Khối lượng: 190g - Điện áp 24V/DC, dải điện áp: 20.4-28.8 V/DC - Công suất: 4.9W - Số chân 16 - Mức logic: Mức “1” tương ứng 13V-30V, mức “0” tương ứng -30V-5V b) Các đồng hồ SENTRON PAC3200/4200 e) PAC3200 Thông số kỹ thuật: - Chức thiết lập giá trị tới hạn dùng để phát cảnh báo - Nguồn cấp 110-240V AC +/ 10% Frequency 50/60Hz, 110-250V DC ± 10% Điện áp thấp: DC 22-65V ±10% tùy theo yêu cầu 67 Phụ lục - ngõ vào digital input ngõ digital output - Truyền thông Modbus TCP, cổng giao tiếp Ethernet RJ45 tốc độ 10 Mbit/s Tích hợp truyền thơng Modbus RTU (cổng RS485) Profibus ghép với module truyền thông mở rộng f) PAC4200 - Cấp xác: kW class 0.2%, kVA class 0.5%, kVAr class 1% - Đo lường dịng chảy cơng suất nhận vào, cơng suất phát công suất thực tế tiêu thụ - Hiển thị sóng hài đơn (31 thành phần) - Bộ nhớ trong, đồng hồ thời gian thực - Nguồn cấp 110-240V AC +/ 10% Frequency50/60Hz, 110-250V DC±10% Điện áp thấp: DC 22-65V ±10% thực theo yêu cầu - ngõ vào digital input ngõ digital output - Truyền thông Modbus TCP tốc độ cao lên đến 100 Mbit/s - Tích hợp truyền thơng Modbus RTU (cổng RS485) Profibus ghép với module truyền thông mở rộng g) Khối chức 68 Phụ lục Khối Chức (1) Đầu vào/ra số (3) Nguồn (4) Đầu kết nối đo điện áp (5) Đầu kết nối đo dòng điện (6) Khe cắm cho modul mở rộng (7) Kết nối modul mở rộng (8) Cổng Enthernet  Sơ đồ chân Chân Chức (1) (2) Đo dòng điện pha (3) (4) Đo dòng điện pha 69 Phụ lục (5) (6) Do dòng điện pha (7) Đo điện áp pha (8) Đo điện áp pha (9) Đo điện áp pha (10) Nối dây trung tính (11) (12) Nguồn (13) Nối đất (14) (15) Đầu vào số (16) (17) Đầu số  Một số cách đấu nối Các đồng hồ PAC3200/4200 đo giá trị dòng điện giải đo khác từ cấp hạ áp đến trung cao áp Đối với cấp điện áp khác nhau, u cầu đo khác có cách đấu nối khác để đảm bảo tình xác có khả bảo vệ với thiết bị Dưới số cách đấu nối PAC3200/4200 a) b) 70 Phụ lục c) d) e) f) c) MCCB Thơng số kỹ thuật: - Hãng: Siemens - Dịng điện định mức: 25A, 40A - Điện áp làm việc định mức: 220V, 400V - Khả chịu dòng max 1s: 25kA - Tần số: 50/60Hz - Số cực: - Số pha: d) Cảm biến nhiệt độ PT100 Thông số kỹ thuật: - Ngõ vào: cảm biến PT100, loại dây dây 71 Phụ lục - Ngõ ra: dòng 4-20 mA - Nguồn cấp: 24 VDC - Sai số