Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị giám sát máy biến áp

Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị giám sát quản lý máy biến áp, qua đó giúp giảm sự cố bất thường và hỗ trợ bảo trì, bảo dưỡng theo điều kiện (CBM). Mục tiêu chính của thiết bị này là phát hiện sớm các bất thường gây sự cố, hư hỏng máy biến áp.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIÁM SÁT MÁY BIẾN ÁP A STUDY ON DESIGN AND FABRICATION OF A MONITORING EQUIPMENT FOR TRANSFORMERS Nguyễn Thanh Minh1, Nguyễn Hữu Đức2,* TÓM TẮT Máy biến áp thiết bị quan trong hệ thống cung cấp điện Các cố máy biến áp đặc biệt nghiêm trọng, gây nguy hiểm cho người làm gián đoạn cung cấp điện cho lượng lớn khách hàng Do cần có công cụ liên quan đến việc giám sát, phát cảnh báo sớm điều kiện bất thường vận hành máy biến áp, giúp người vận hành khắc phục trước cố xảy Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị giám sát quản lý máy biến áp, qua giúp giảm cố bất thường hỗ trợ bảo trì, bảo dưỡng theo điều kiện (CBM) Mục tiêu thiết bị phát sớm bất thường gây cố, hư hỏng máy biến áp Các thông số quan trọng máy biến áp giám sát thông qua thiết bị lắp đặt trường Chức lập trình, thiết kế mạch điện tử chương trình giám sát viết phần mềm giúp người vận hành sử dụng thuận lơi Thiết bị thử nghiệm lắp đặt giám sát máy biến áp thực tế cho kết đáp ứng nhu cầu giám sát, quản lý, vận hành máy biến áp Từ khóa: Máy biến áp thơng minh; giám sát; quản lý; chẩn đốn; cố; CBM ABSTRACT Transformer is an important device in the power supply system Transformer failures are particularly severe, which can lead to endangering people as well as disrupting power supply to a large number of customers Therefore, it is necessary to develop tools for monitoring, detecting and early warning of abnormal conditions in operation of transformers, so that the operators can handle them before the faults occur This paper presents the results of research, design and fabrication of a monitoring equipment to transformer, thereby helping to reduce abnormal incidents and support maintenance and maintenance according to conditions (CBM) The main objective of this device is to detect early abnormalities that cause malfunction and damage to the transformer The important parameters of the transformer are monitored through the field-installed equipment Main functions are programmed and designed on electronic circuits Monitoring programs are written on software to help operators use conveniently The equipment was installed and tested at the actual transformer Test results realize proposed functions of monitoring, management and operation of the transformer Keywords: Smart transformer; monitoring; management; diagnostic; fault; CBM Công ty TNHH Giải pháp lưới điện thông minh SES Trường Đại học Điện lực * Email: ducnh@epu.edu.vn Ngày nhận bài: 10/5/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 15/6/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/8/2021 28 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (8/2021) ĐẶT VẤN ĐỀ Máy biến áp (MBA) thiết bị quan trọng hệ thống điện Nếu MBA bị hư hỏng, chi phí cao, độ tin cậy MBA đặc biệt tối quan trọng Trong trường hợp xảy cố đột ngột gây điện hệ thống, dẫn đến khoản phạt tài vấn đề kỹ thuật khác Do cần có cơng cụ liên quan đến việc điều khiển giám sát tình trạng MBA, giúp người vận hành can thiệp trước cố xảy [1-9] Sự gia tăng nguồn lượng tái tạo lắp đặt, vận hành nhà sản xuất lượng nhỏ, điều làm thay đổi dòng điện mạng lưới phân phối phía người sử dụng cuối Hiện có khoảng 100000 hệ thống điện mặt trời áp mái (công suất 1MW) lắp đặt lưới điện MBA lưới điện phân phối có điện mặt trời áp mái thay đổi phương thức vận hành, dẫn tới thường xuyên xảy điện áp thấp/cao biến đổi công suất từ nguồn điện mặt trời Ngoài ra, phổ biến ngày tăng loại xe điện, việc sạc loại xe khu dân cư dẫn đến thay đổi đáng kể mơ hình tiêu thụ điện gây tải cho MBA phân phối Điều dẫn tới số lượng MBA phân phối cung cấp cho phụ tải quan trọng ngày gia tăng Nhiều trạm biến áp phân phối đặt khu dân cư, chợ nơi tập trung đông người tiềm ẩn nhiều nguy an tồn q trình vận hành MBA Việc theo dõi, vận hành MBA thực theo phương pháp truyền thống, thực vị trí đặt MBA Việc kiểm tra, đo đạc, lấy thông số vận hành trạm biến áp chủ yếu phương pháp thủ cơng tốn nhiều nhân lực, thiếu an tồn, số liệu khơng đầy đủ số thơng số thiếu xác Hiện trạm biến áp có trang bị thiết bị cảnh báo tình trạng vận hành trạm đo nhiệt độ dầu MBA, hiển thị mức dầu, rơ le hơi, báo cố cáp ngầm… Tuy nhiên thiết bị hầu hết thiết bị đọc chỗ, lắp đặt rời rạc khơng có khả lưu giữ số liệu truyền liệu (phục vụ công tác quản lý vận hành) Hệ thống đo lường, giám sát từ xa áp dụng công tơ đo xa MDMS (Meter Data Management System) nhiều nhược điểm hệ thống đo thông số điện năng, không đo thông số tình trạng MBA Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 nhiệt độ cái, nhiệt độ áp suất lớp dầu,… Ngoài hệ thống MDMS lấy liệu 30 phút lần dẫn đến thông số không liên tục đầy đủ, không đảm bảo nhiệm vụ giám sát Hệ thống MDMS thiết kế nhằm phục vụ mục đích thương mại tính tốn tiền điện cho khách hàng, không thiết kế cho mục đích vận hành quản lý MBA số đại lượng không điện nhiệt độ đầu cáp cái, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ dầu MBA, áp suất dầu; thông số trạng thái trạng thái role gas, đóng mở cửa tủ, hịm tổn thất,… , Hình Bố trí thiết bị MBA 2.1 Thiết bị trường Hình Sơ đồ khối giải pháp đề xuất Trong quản lý vận hành chưa có hệ thống giám sát tình trạng vận hành lộ đường dây xuất tuyến hạ (sau MCCB nhánh tủ phân phối) Thực tế vận hành MBA phần lớn cố phát sau xảy điện, người dân, khách hàng phản ánh Điều gây thiệt hại lớn kinh tế nguy hiểm cho người Như vậy, từ phân tích trên, số nhận xét đưa sau: (1) Sự phát triển nhanh chóng sản xuất điện phi tập trung dẫn đến dao động điện áp lớn mạng lưới điện phân phối truyền thống vượt giới hạn cho phép, gây cố cho MBA (2) Những cố xảy thường có nguyên nhân từ bất thường tiềm ẩn trình vận hành MBA (3) Việc giám sát MBA theo thời gian thực nhu cầu cấp thiết, giúp người vận hành, chủ sở hữu hệ thống theo dõi liên tục tình trạng MBA Giúp cải thiện độ tin cậy, giảm chi phí gây điện, bảo trì, sửa chữa hệ thống điện Do vậy, báo nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị giám sát tình trạng vận hành MBA, qua nâng cao khả quản lý lưới điện nói chúng Mục tiêu thiết bị phát sớm bất thường gây hư hỏng MBA Hình mơ tả cấu tạo MBA Chất lượng điện có ảnh hưởng đến tình trạng MBA Điện áp cao định mức làm tăng nhiệt độ lõi từ, gây phóng điện vịng dây Dịng điện q cao, sóng hài làm tăng nhiệt độ cuộn dây MBA Việc giám sát thông số điện giúp người vận hành, chủ sở hữu, nhà sản xuất nắm bắt thông số hệ thống điện ảnh hưởng đến tình trạng MBA Nhiệt độ yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tình trạng MBA Nhiệt độ cao nguyên nhân gây già hóa vật liệu cách điện MBA dầu, vỏ cáp, lớp cách điện cuộn dây Vì việc giám sát nhiệt độ cần thiết Việc sinh khí hịa tan dầu MBA có nguyên nhân từ tượng phóng điện bên MBA, chả hạn phóng điện nấc phân áp, phóng điện vịng dây, phóng điện điểm tiếp xúc bên MBA Việc giám sát, phân tích thành phần khí hịa tan dầu MBA giúp phát sớm tượng phóng điện bên MBA, từ giúp người vận hành can thiệp, xử lý trước cố nghiêm trọng xảy Hình mơ tả thiết bị giám sát áp suất khí lắp MBA Bài báo bố cục sau: Phần đặt vấn đề cần thiết thiết bị giám sát, quản lý, vận hành MBA Phần trình bày mơ hình giải pháp đề xuất Phần trình bày việc thiết kế, chế tạo thiết bị Phần số kết thử nghiệm đánh giá Kết luận đưa Phần MƠ HÌNH GIẢI PHÁP GIÁM SÁT MBA Giải pháp đề xuất mô tả hình Giải pháp gồm thiết bị thu thập liệu đặt trường phần mềm thực tảng web-server Thiết bị trường có nhiệm vụ thu thập thơng số vận hành MBA gồm thơng số điện dịng điện, điện áp, cosphi, công suất, lượng, chất lượng điện năng; thông Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn a) Vol 57 - No (Aug 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 29 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 vịng dây pha, tiếp xúc MBA, suy giảm cách điện gây phóng điện nội ) Nhờ giúp tiết giảm chi phí khắc phục cố chi phí xử lý phịng ngừa thường nhỏ so với cố xảy  Giảm tổn thất điện năng: Do tổn thất kỹ thuật trạm biến áp lưới phân phối chủ yếu MBA lưới điện vận hành đầy tải, tải, lệch pha tiếp xúc đầu cực Do với việc đưa hệ thống giám sát giúp giảm tổn thất kỹ thuật vận hành cho trạm biến áp, ước tính giảm 0,2% đến 2% (tùy tình hình vận hành thực tế MBA số lộ hạ lệch pha, tải % )  Hiện đại hóa lưới điện, tiến tới lưới điện thông minh; Đo lường, giám sát quản lý online từ xa; Hiện đại hóa cơng tác quản lý vận hành b) Hình Bố trí thiết bị giám sát áp suất khí MBA Trạng thái rơ le gas cho ta biết mức độ khí MBA Nếu khí tích tụ nhiều MBA có cố liên quan đến phóng điện bên Mức dầu thấp ngun nhân rị rỉ, nhiệt độ cao làm giãn nở ống tản nhiệt dầu MBA Áp suất MBA cao dầu giãn nở liên quan đến cố phóng điện bên MBA 2.2 Phần mềm web-server Phần mềm cài đặt server giúp thực chức sau:  Giám sát thông số vận hành đến nhánh phía sau MCCB tủ phân phối  Giám sát thông số nhiệt độ dầu, nhiệt độ tiếp xúc đầu cực hạ mặt MBA  Giám sát thông số nhiệt độ tiếp xúc cực tổng (ATM)  Tăng hiệu quản lý: Nâng cao số độ tin cậy cung cấp điện (Saidi, Saifi, Maifi); Giảm thiểu nguy điện; Giảm thiểu thời gian điện  Số liệu vận hành: real-time, đầy đủ, xác đồng bộ; Người vận hành cảnh báo kịp thời đầy đủ  Giảm nhân công chi phí vận hành: Giảm nhân lực cơng tác đo đạc, kiểm tra vận hành lưới điện; Giảm chi phí bảo trì, bảo dưỡng  Giảm rủi ro an tồn điện cho người vận hành: Khơng phải tiếp xúc với điện trực tiếp; Hạn chế kiểm tra lưới điện vận hành THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, XÂY DỰNG GIẢI PHÁP Giải pháp đề xuất bao gồm 01 thiết bị phần cứng lắp đặt trường phần mềm viết webserver Thiết bị phần cứng bao gồm phận sau: (1) Mạch LCD; (2) Mạch ADE; (3) Mạch TOP; (4) Mạch PSU  Giám sát cảm biến trạng thái có MBA tủ phân phối (cảm biến đóng mở cửa, mức dầu, rơ le ga, báo cố đầu cáp )  Phát cố chạm chập vỏ tủ phân phối  Chu kỳ gửi liệu cài đặt tới đơn vị phút (hệ thống công tơ đo xa cố định chu kỳ gửi liệu 30 phút nên không bảo đảm việc phát sớm cố)  Cảnh báo vận hành, cảnh báo trạng thái cài đặt tùy theo trạng vận hành trạm biến áp giúp bảo đảm việc phát sớm nguy tiềm ẩn cố Tất chức tích hợp thiết bị nhỏ gọn, hệ thống Web sever tối ưu, có tính mở giúp cho việc vận hành, tích hợp hệ thống dễ dàng 2.3 Hiệu giải pháp  Giảm nguy cố MBA, lưới điện hạ trạm biến áp phân phối, đặc biệt trạm biến áp nằm khu vực dân cư đông đúc (do phát nguy tiềm ẩn MBA mà thiết bị bảo vệ MBA nhiều trường hợp ko tác động tượng ngắn mạch 30 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (8/2021) Hình Mạch thiết kế phần LCD thiết bị Hình mơ tả thiết kế mạch LCD Hình mơ tả mạch ADE Hình mơ tả thiết kế mạch TOP hình thiết kế mạch PSU Mạch điện tử đo thông số U, I, P, Q, f, cosφ, lượng tiêu thụ… gửi liệu đo RTU thông qua RS485 thiết lập trạm Các yếu tố đo lường khác Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 cảm biến nhiệt; cảm biến nhiệt độ, độ ẩm khói Cảm biến thu thập thông số vận hành MBA lưới điện hạ áp, sau chuyển đến thiết bị lắp đặt tủ phân phối Thiết bị thiết kế để bao gồm xử lý trung tâm logic, cổng vào kỹ thuật số, tương tự, mô-đun giao tiếp Các mức điện áp đầu +5V, 3,3V, 2,5V cấp cho xử lý trung tâm, mạch đầu vào, đầu ra, giao tiếp Nguồn 5V/3A sử dụng IC nguồn chuyển mạch điện tử LM2576HV với điện áp đầu vào 12-60 VDC [3] pháp giám sát MBA hệ thống hoạt động ổn định đáp ứng u cầu tốn đặt Hình mơ tả hình ảnh lắp đặt thiết bị trường trạm biến áp Các chức hệ thống sau thử nghiệm đạt sau:  Đã thu thập đưa hình hiển thị giám sát thơng số điện dịng điện, điện áp, cosphi, công suất,…  Đã giám sát đươc thông số nhiệt độ dầu MBA  Đã giám sát thông số nhiệt độ đầu cáp  Thu thập hiển thị giám sát thơng số trạng thái role gas, đóng mở cửa trạm, hòm tổn thất, mức dầu cao/thấp  Dữ liệu thu thập đến phút chu kỳ liệu thay đổi tùy theo tình trạng thực tế thiết bị nhu cầu đơn vị vận hành  Khi có tình trạng bất thường, hệ thống tự động thị cảnh báo hình giám sát gửi tin nhắn hoặc/và email tới người vận hành  Dữ liệu thu thập số hóa xuất báo cáo tự động theo yêu cầu người vận hành Hình Mạch thiết kế ADE Màn hình giám sát phần mềm mơ tả hình Người vận hành sử dụng máy tính phịng điều khiển trung tâm thiết bị thơng minh có kết nối mạng đề theo dõi, giám sát tình trạng vận hành MBA Hình 10 mơ tả liệu nhiệt độ giám sát biểu đồ lượng theo Như hình 10 liệu thu thập theo chu kỳ phút Dữ liệu điện áp cosphi giám sát biểu đồ hình 11 Khi có vấn đề bất thường phần mềm tự động gửi cảnh báo cho người vận hành mơ tả hình 12 Hình Mạch thiết kế TOP Hình Mạch thiết kế PSU KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM Giải pháp lắp đặt thử nghiệm trạm biến áp nhà máy SEOJIN, khu công nghiệp Song Khê, Bắc Giang Công suất MBA 5000kVA Trong trình thử nghiệm giải Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Hình ảnh lắp đặt thiết bị trạm biến áp Vol 57 - No (Aug 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 31 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Hình Giao diện phần mềm với người sử dụng Hình 12 Minh họa việc gửi cảnh báo qua email Với kết thử nghiệm mơ hình giải pháp đề xuất trình bày hiệu mang lại đơn vị quản lý vận hành MBA là:  Thu thập liệu từ cảm biến nhiệt độ lắp đặt MBA, thông số kỹ thuật điện, hiển thị liệu cách trực quan giúp người vận hành, chủ sở hữu có nhìn tổng quan tình trạng MBA (hình ảnh biểu đồ liệu theo thời gian)  Giám sát liên tục MBA theo thời gian thực  Giảm chi phí nhân cơng, tăng tính an tồn cho người vận hành  Thu thập liệu MBA giúp nhà sản xuất MBA cải thiện, nâng cao chất lượng cho sản phẩm  Cảnh báo sớm bất thường, ngăn ngừa cố, giảm chi phí liên quan việc điện từ cố MBA  Giảm chi phí vận hành, bảo trì, sửa chữa MBA  Đáp ứng xu hướng giám sát qua hệ thống SCADA trạm biến áp đến trung tâm điều khiển khu vực KẾT LUẬN Hình 10 Thông số nhiệt độ lượng giám sát Hình 11 Thơng số dịng điện cosphi giám sát 32 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (8/2021) Nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị giám sát, quản lý MBA theo thời gian thực Giải pháp gồm thiết bị chế tạo để lắp trạm biến áp giúp thu thập liệu cần giám sát Sau thiết bị gửi liệu phần mềm để phân tích, giám sát cảnh báo tình trạng bât thường MBA Thiết bị gọn nhẹ, dễ dàng lắp đật (không yêu cầu cắt điện) phần mềm với giao diện thân thiện giúp người vận hành dễ dàng sử dụng Giải pháp đặc biệt cần thiết cách mạng số hóa ngành điện nói riêng xu hướng xây dựng lưới điện thông minh Việt Nam nói chung Hướng nghiên cứu nhóm là: (1) tích hợp thiết bị vào MBA từ giai đoạn thiết kế MBA để tiến tới khái niệm MBA thơng minh; (2) Sử dụng thuật tốn phân tích, chẩn đốn cố xảy ra, giúp người vận hành có định can thiệp kịp thời, xác Hướng tới việc triển khai bảo trì, bảo dưỡng MBA theo tiêu chuẩn tình trạng thiết bị (CBM) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 LỜI CẢM ƠN Nghiên cúu hỗ trợ Công ty TNHH Giải pháp lưới điện thông minh (SES) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] James Momoh, 2012 Smart Grid- Fundamental of Design and Analysis IEEE Press [2] Smart Energy Grid Energy & Power Magazine, Volume Issue 19, March 16, 2012 Available online: http://www.ep-bd.com [3] The Smart Grid: An Introduction Prepared for the U.S Department of Energy by Litos Strategic Communication [4] European Technology Platform Smart Grid, 2007 Strategic research agenda for Europe‘s electricity networks for the future European Commission, Directorate General for Research, Directorate Energy [5] A Q Huang, 2016 Medium-voltage solid-state transformer: Technology for a smarter and resilient grid IEEE Industrial Electronics Magazine, vol 10, no 3, pp 29-42 [6] M Liserre, G Buticchi, M Andresen, G D Carne, L F Costa, Z X Zou, 2016 The smart transformer: Impact on the electric grid and technology challenges IEEE Industrial Electronics Magazine, vol 10, no 2, pp 46-58 [7] C Kumar, Z Zou, M Liserre, 2016 Smart transformer-based hybrid grid loads support in partial disconnection of mv/hv power system 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp 1-8 [8] Chandan Kumar, Marco Liserre, 2015 Operation and control of smart transformer for improving performance of medium voltage power distribution system 2015 IEEE 6th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), pp 1-6 [9] Bunn M., Das B P, Baguley C., 2018 Smart Supervisory System for Distribution Transformers Conf AUPEC 2018, DOI: 10.1109/AUPEC.2018.8757994 AUTHORS INFORMATION Nguyen Thanh Minh1, Nguyen Huu Duc2 SES Smart Grid Electric Solution Company Limited Electric Power University Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Aug 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 33 ... hành nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị giám sát, quản lý MBA theo thời gian thực Giải pháp gồm thiết bị chế tạo để lắp trạm biến áp giúp thu thập liệu cần giám sát Sau thiết bị gửi... đặt vấn đề cần thiết thiết bị giám sát, quản lý, vận hành MBA Phần trình bày mơ hình giải pháp đề xuất Phần trình bày việc thiết kế, chế tạo thiết bị Phần số kết thử nghiệm đánh giá Kết luận đưa... trực tiếp; Hạn chế kiểm tra lưới điện vận hành THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, XÂY DỰNG GIẢI PHÁP Giải pháp đề xuất bao gồm 01 thiết bị phần cứng lắp đặt trường phần mềm viết webserver Thiết bị phần cứng bao