Quá trình thiết kế bắt đầu thực hiện với việc xác định rõ các chức năng. Bƣớc tiếp theo là thực hiện chọn lựa các IED thích hợp ứng với các chức năng yêu cầu. Sau đó thực hiện kiểm tra xem liệu các nhóm LN có trong IED thực sự thích hợp và đảm bảo theo yêu cầu không. Cuối cùng thực hiện kết nối các IED này với các cấu trúc truyền thông đã thực hiện thiết kế.
Quá trình thực hiện thiết kế một hệ thống tự động hóa trạm có thể thực hiện theo lƣu đồ nhƣ sau:
68
Hình 3. 1: Lƣu đồ các bƣớc thiết kế hệ thống điều khiển trạm biến áp 3.2.Giới thiệu một số phần mềm thực hiện thiết kế trạm biến áp.
3.2.1. Phần mềm hệ điều hành.
Hệ điều hành Windows 2008 server đƣợc sử dụng cho hệ thống tự động hóa TBA. Hệ điều hành Windows 2008 server đƣợc sử dụng có khả năng hỗ trợ driver
69
cho rất nhiều các loại vi xử lý từ Intel IA-32, 80x86 và Pentium, đến IA-64, hay Intel Xeon, Itanium và AMD. Windows 2008 server không những đã chứng minh độ tin cậy, tính ổn định và bảo mật cao của nó mà còn có khả năng “plug and play” với rất nhiều thiết bị phần cứng khác nhau.
3.2.2. Phần mềm kết nối thông tin
AX-S4 MMS đƣợc chọn để thực hiện kết nối thông tin và truyền tin. Đây là phần mềm đƣợc phát triển và cung cấp bởi Systems Integration Specialists Company, Inc. /USA.
AX-S4 MMS cho phép truy nhập dữ liệu thời gian thực tới bất kỳ một thiết bị nào tƣơng thích IEC-61850 bằng phần mềm tƣơng thích Window hỗ trợ giao diện OLE cho Process Control (OPC™) hoặc Dynamic Data Exchange (DDE).
Các đặc tính chính của AX-S4 MMS:
- Giao diện OPC Server hỗ trợ các ứng dụng OPC client bao gồm hầu hết các ứng dụng dựa trên Window nhƣ SCADA, HMI, Historian, và Visual C++. - COM Automation server hỗ trợ các ứng dụng Visual Basic®.
- Làm việc trên môi trƣờng vật lý Ethernet hỗ trợ các thủ tục truyền tin chuẩn ISO/OSI và TCP/IP :
IEC-61850 phần 7-2, 7-3, 7-4, và 8-1 bao gồm ACSI (Abstract Communication Service Interface).
UCA 2.0 bao gồm GOMSFE và CASM. MMS (Manufacturing Message Specification).
- Giao diện OPC server cũng hỗ trợ IEC-61850 GSSE (Generic Substation Status Event) và GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event).
- Hỗ trợ report tự động đối với IEC-61850, UCA 2.0 và thiết bị MMS theo OPC.
- Cung cấp giao diện MMS Object Explorer cho phép dễ dàng truy nhập tới thiết bị.
70
- Không yêu cầu cấu hình từng điểm dữ liệu đối với hầu hết các thiết bị. Dữ liệu trực tiếp đƣợc lấy về trên phần mềm chỉ bằng vài thao tác setup đơn giản, giảm thiểu các lỗi trong quá trình cấu hình từng điểm dữ liệu bằng tay. - Không có giới hạn số điểm dữ liệu định trƣớc và hỗ trợ tới 1000 thiết bị cùng
đƣợc truy nhập.
- Tƣơng thích với nhiều thiết bị khác nhau từ nhiều nhà cung cấp bao gồm RTU, Rơle, đồng hồ, và CNC.
3.2.3. Phần mềm hỗ trợ giao diện ngƣời dùng
Giao diện ngƣời dùng (User Interface) đƣợc hiểu nhƣ là phần tạo ra sự kết nối giữa ngƣời dùng và các chƣơng trình giám sát, điều khiển của hệ thống tự động hóa TBA, cũng nhƣ các trình ứng dụng khác. User Interface cho phép giám sát và điều khiển hệ thống điện, truy xuất tới các thông tin lƣu trữ trong cơ sở dữ liệu một cách đơn giản và dễ tiếp cận.
Thiết kế của các cửa sổ màn hình có thể đƣợc thay đổi và tái sử dụng. Các cửa sổ màn hình này cho phép chạy các trình ứng dụng, xem lại các thông tin, tổng kết sự kiện theo dữ liệu, theo dõi giám sát thông tin thời gian thực về hệ thống điện,… và sử dụng lại dữ liệu quá khứ.
Hiện nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ giao diện ngƣời dùng, tuy nhiên nổi bật lên đó là Intouch của Wonderware.
3.3. Thiết kế hệ thống tự động hóa trạm biến áp. 3.3.1. Giải pháp nâng cấp trạm biến áp kiểu cũ. 3.3.1. Giải pháp nâng cấp trạm biến áp kiểu cũ.
Do phạm vi của luận văn không cho phép, vì vậy tác giả xin phép đƣợc trình bày giải pháp và các hƣớng giải quyết đối với việc nâng cấp cho các TBA kiểu cũ. Đối với phần thiết kế chi tiết TBA theo tiêu chuẩn IEC61850 xin đƣợc phép trình bày trong phần thiết kế một TBA xây dựng mới, cụ thể là Trạm biến áp 220kV Tây Hồ.
71
Thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển, bảo vệ mới hoàn toàn.
Đối với các trạm có hệ thống điều khiển, bảo vệ đã quá cũ và lạc hậu, để đảm bảo tính ổn định, đồng bộ hóa thiết bị, thì cần thiết phải xây dựng hệ thống điều khiển, bảo vệ hiện đại theo tiêu chuẩn IEC 61850 cho các trạm này. Mô hình hệ thống tự động đƣợc thực hiện nhƣ cách xây dựng cho trạm mới, đƣợc trình bày ở phần sau của đề tài. Tuy nhiên cần xem xét vì đây là giải pháp tốn kém, cần nhiều vốn đầu tƣ.
Ví dụ áp dụng tại TBA 110kV Trình Xuyên, thay thế toàn bộ hệ thống nhƣ sau: - Máy cắt: thay thế các máy cắt dầu, máy cắt không khí cũ thành các máy cắt
SF6 mới sẵn sàng cho việc giám sát điều khiển từ HMI.
- Dao cách ly: thay thế hệ thống DCL cũ không có động cơ điều khiển thành các DCL mới có động cơ sẵn sàng cho việc giám sát điều khiển từ HMI. - Thay thế các thiết bị nhất thứ khác nhƣ TI, TU, dao tiếp địa… đảm bảo đáp
ứng các yêu cầu chung về hệ thống điều khiển bảo vệ TBA.
- Các rơ le bảo vệ: thay thế các rơ le bảo vệ cũ là các rơ le cơ điện của Liên Xô cũ thành các rơ le bảo vệ và các BCU kỹ thuật số có trang bị giao thức IEC61850.
- Hệ thống máy tính và SCADA: đầu tƣ hệ thống máy tính HMI hoàn toàn mới và thay thế hệ thống SCADA cũ từ RTU560 thành máy tính Gateway truyền tin về các trung tâm điều độ.
Thay thế một phần hệ thống điều khiển bảo vệ:
Để tiết kiệm vốn đầu tƣ, giải pháp thay thế một phần các thiết bị điều khiển, bảo vệ mang tính khả thi hơn là đổi mới toàn bộ hệ thống tự động hóa trạm. Trong các trạm cũ, thiết bị từ nhiều nhà cung cấp khác nhau, giao thức không theo chuẩn, nâng cao các trạm này có thể thực hiện từng bƣớc, tùy theo nhu cầu của nhà đầu tƣ, mà thiết bị nào cần ƣu tiên thay đổi trƣớc.
- Trang bị bộ xử lý trung tâm làm nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hệ thống và thu thập dữ liệu.
72
- Trang thiết bị điều khiển mức ngăn BCU cho các ngăn lộ chƣa sử dụng thiết bị này.
- Bổ sung thêm máy tính điều khiển dự phòng (Backup host) với trạm chỉ có một máy tính điều khiển.
- Thay thế các rơle bảo vệ tại trạm không đủ điều kiện kết nối trao đổi thông tin bằng các rơle thế hệ mới có hỗ trợ IEC 61850. Hoặc với những hệ thống có thiết bị đƣợc hỗ trợ việc thay thế module trao đổi thông tin và nâng cấp phần firmware để dùng đƣợc với tiêu chuẩn IEC 61850 thì phƣơng án này cũng là phƣơng án tiết kiệm đƣợc nhiều chi phí.
- Thiết kế phần mềm giao diện, thực hiện điều khiển thiết bị, thu thập thông tin và truy xuất các dữ liệu từ các rơle bảo vệ. Với hệ thống tự động hóa càng cao thì các màn hình hiển thị trên máy tính điều khiển cũng nhiều tƣơng ứng. Việc các phần mềm này cần chú trọng đến các tính năng nhƣ truy suất thông số, dữ liệu trong quá khứ, giám sát hệ thống điện tự dùng, mạng thông tin v.v… là cần thiết.
3.3.2. Thiết kế hệ thống tự động hóa trạm biến áp 220kV Tây Hồ.
Trạm biến áp 220kV Tây Hồ đƣợc xây dựng theo kế hoạch cải tạo và phát triển lƣới điện Hà Nội của Tập Đoàn Điện Lực Việt Nam (EVN) cũng nhƣ tổng công ty Điện Lực Hà Nội. Trạm biến áp 220kV Tây Hồ đƣợc xây dựng tại phƣờng Phú Thƣợng, quận Tây Hồ, TP Hà Nội.
Trạm biến áp 220kV Tây Hồ đƣợc thiết kế với quy mô 02 MBA với công suất 250MVA, phía 220kV bao gồm 04 ngăn lộ đƣờng dây, 01 ngăn lộ buscoupler, 02 ngăn lộ đầu vào MBA. Phía 110kV bao gồm 12 ngăn lộ đƣờng dây, 01 ngăn lộ buscoupler, 02 ngăn lộ đầu vào MBA.
3.3.2.1. Xây dựng sơ đồ 1 sợi
Với quy mô xây dựng TBA 220kV Tây Hồ nhƣ phần giới thiệu trên. Ta thực hiện việc xây dựng sơ đồ 1 sợi. Hình vẽ chi tiết sơ đồ 1 sợi đƣợc thể hiện trong phần phụ lục.
73
3.3.2.2. Xác định chức năng và mô tả đặc trƣng của hệ thống SAS.
Do phạm vi của đề tài không cho phép, vì vậy tác giả xin đƣợc phép nêu một số đặc trƣng cơ bản của hệ thống tự động hóa TBA 220kV Tây Hồ nhƣ sau:
- Dạng sơ đồ: sơ đồ 2 thanh cái
- Hệ thống mạng LAN kép vận hành song song
- Sơ đồ phƣơng thức bảo vệ đối với từng ngăn lộ theo quy định của EVN về thiết kế hệ thống điều khiển bảo vệ tích hợp TBA. Ví dụ: đối với ngăn lộ đƣờng dây 220kV bảo vệ chính là F87L, bảo vệ dự phòng là F21, 02 bộ điều khiển BCU1 và BCU2, trong đó cho phép 1 bộ BCU đƣợc tích hợp trong rơ le bảo vệ…
- Yêu cầu các IED đáp ứng chuẩn giao thức IEC 61850.
3.3.2.3. Lựa chọn các IED.
Dựa trên sơ đồ phƣơng thức bảo vệ cho TBA 220kV Tây Hồ, lựa chọn các IED phục vụ mục đích bảo vệ và điều khiển cho từng ngăn lộ, các IED đƣợc chọn là các rơ le kỹ thuật số của hãng SEL. Do phạm vi luận văn không cho phép nên tác giả xin phép đƣợc trình bày cho 01 ngăn lộ đƣờng dây, cụ thể khối lƣợng IED nhƣ sau:
- 01 rơ le bảo vệ so lệch đƣờng dây F87L : SEL-311L
- 01 rơ le bảo vệ khoảng cách F21 có tích hợp chức năng BCU: SEL-421 - 01 bộ điều khiển chức năng BCU : SEL-451
3.3.2.4. Cấu hình các IED.
Hầu hết các rơ le kỹ thuật số hiện nay đều đƣợc trang bị giao thức IEC 61850. Đồng thời các nhà sản xuất cũng cung cấp các phần mềm giao tiếp giúp cho ngƣời dùng có thể config dữ liệu bên trong rơ le. Đối với rơ le SEL cũng vậy, phần mềm để config dữ liệu là: SEL AcSELerator Architect.
Đối với trạm biến áp kiểu tích hợp với giao thức truyền tin IEC 61850, số lƣợng IEDs sử dụng trong trạm là rất nhiều, việc trao đổi dữ liệu giữa các IEDs với nhau
74
và giữa các IEDs và hệ thống máy tính HMI là rất lớn. Theo mặc định của nhà sản xuất thì nhóm DataSets của rơ le SEL bao gồm 13 Logical Node LLN0:
Hình 3. 2: Cấu trúc các LNN0 mặc định của NSX
Để tăng hiệu quả và tốc độ làm việc của hệ thống, việc config dữ liệu theo tùy ý ngƣời sử dụng là rất cần thiết. Với mục đích giám sát điều, điều khiển và đo lƣờng tại TBA 220kV Tây Hồ, đối với mỗi Physical Devices (IED) ta có thể config dữ liêu thành 04 nhóm nhƣ sau:
- LLN0.Dset01: là nhóm INPUT, Tled, MB, PBLED, SG - LLN0.Dset02: là nhóm OUTPUT, ASV, PSV, ALT, PLT
- LLN0.Dset03: là nhóm các thông số phục vụ đo lƣờng MMXU1, AMV, PMV
- LLN0.Dset04: GOOSE
Các bước thực hiện như sau:
Bƣớc 1: Từ cửa sổ IED Palete của phần mềm SEL AcSELerator Architect, lựa chọn IED cần cấu hình ( ví dụ SEL-421) và export ra định dạng file ICD.
75
Hình 3. 3 : Xuất định dạng file ICD.
Bƣớc 2: Cấu hình lại các LN của IED theo mục đích phân loại thành 04 nhóm LN nhƣ đã trình bày ở trên.
76
Hình 3. 5: Định dạng dữ liệu theo 04 nhóm LN
Bƣớc 3: Sau khi hoàn thành việc cấu hình từng IED, từ cửa sổ IED Palete của phần mềm SEL AcSELerator Architect, chọn Import IED để add file ICD đã đƣợc cấu hình. Các file ICD của các IED sau khi đƣợc config cần gửi lại vào bên trong rơ le. Kết quả nhƣ sau:
77
3.3.2.5. Thiết kế chi tiết
Thiết kế mạch phần cứng:
Do phạm vi luận văn không cho phép, tác giả xin phép đƣợc trình bày mạch thiết kế phần cứng cho việc giám sát tín hiệu, điều khiển máy cắt và dao cách lý áp dụng cho ngăn lộ một ngăn lộ đƣờng dây. Chi tiết đƣợc thể hiện trong bản vẽ của phần phụ lục.
Thiết kế chi tiết phần mềm.
Sau khi đã cấu hình dữ liệu cho các IED và tạo các file CID/SCD. Việc kết nối và đọc dữ liệu từ các rơ le đƣợc thực hiện bằng phần mềm AX-S4 MMS. Nhƣ đã giới thiệu ở trên, AX-S4 MMS cho phép truy nhập dữ liệu thời gian thực tới bất kỳ một thiết bị nào tƣơng thích IEC-61850 bằng phần mềm tƣơng thích Window hỗ trợ giao diện OLE cho Process Control (OPC™) hoặc Dynamic Data Exchange
(DDE).
Kết quả sau khi thực hiện kết nối đối với các IED ta thu đƣợc nhƣ hình vẽ 3.8.
78
Tính toán tổng hợp dữ liệu
AX-S4 MMS cho phép ngƣời sử dụng truy cập dữ liệu thời gian thực đối với các thiết bị tƣơng thích IEC 61850. Tuy nhiên để tổng hợp và xử lý dữ liệu phục vụ việc giám sát điều khiển các thiết bị trong TBA ví dụ nhƣ vị trí, trạng thái làm việc của 1 máy cắt, dao cách ly…
Việc xử lý dữ liệu thu thập đƣợc từ các IED, đƣợc thực hiện thông qua phần mềm InControl của Wonderware. Phần mềm này giống nhƣ một OPC Client sẽ đọc dữ liệu từ cơ sở dữ liệu mà AX-S4 MMS đã thu thập từ các IED (AX-S4 sẽ là một OPC Sever)
Các bƣớc thực hiện tính toán xử lý dữ liệu bằng phần mềm Incontrol nhƣ sau: - Bƣớc 1: từ cửa sổ màn hình start của Incontrol, chọn New I/O… để thêm cơ sở
dữ liệu từ AX-S4 MMS
79
Hình 3. 9: Cơ sở dữ liệu của các IED đọc từ AX-S4 MMS
Lƣu ý: các dữ liệu lấy về Incontrol có thể tùy ý theo mục đích của ngƣời sử dụng, thông thƣờng chỉ những dữ liệu cần thiết để tính toán, xử lý dữ liệu phục vụ việc giám sát điều khiển các thiết bị trong TBA mới đƣợc lấy về Incontrol. - Bƣớc 2: tính toán xử lý dữ liệu đã thu thập đƣợc. ví dụ cho một máy cắt đƣợc
gán biến nhƣ sau:
D01_XCBR1_PosCls := D01RL2_IN2_IN204; (* CB CLOSED *) D01_XCBR1_PosOpn := D01RL2_IN2_IN207; (* CB OPENED *)
D01_XCBR1_PosSt := IEC_PosSt(D01_XCBR1_PosCls, D01_XCBR1_PosOpn); IEC_PosSt := PosOpn + 2*PosCls;
Trong đó:
Vế bên trái của phƣơng trình do ngƣời sử dụng quy định.
Vế bên phải của phƣơng trình là các biến I/O đã lấy về từ AX-S4 MMS và quy định tên từ bƣớc 1 ở trên.
Kết quả của quá trình tính toán lập trình dữ liệu thu đƣợc nhƣ trong hình vẽ 3.11.
80
Hình 3. 10 : Tính toán lập trình chi tiết cơ sở dữ liệu
Hiển thị lên giao diện ngƣời dùng
Dữ liệu liên quan tới các thiết bị trong TBA nhƣ: trạng thái đóng mở, tình trạng của các thiết bị máy cắt, dao cách ly…các tín hiệu cảnh báo chung trong toàn trạm đều đƣợc xử lý và tính toán thông qua Incontrol. Tuy nhiên để mang lại tính trực quan, sinh động cho ngƣời vận hành thì bất kỳ một hệ thống SAS cũng cần có các phần mềm hỗ trợ hiển thị giao diện ngƣời dùng.
Quá trình thiết kế giao diện ngƣời dùng đƣợc thực hiện dựa trên một số phần mềm thiết kế giao diện HMI rất mạnh nhƣ:
- Intouch 2014 của Wonderware
81
Hình 3. 11: Màn hình thiết kế giao diện ngƣời dùng ngăn lộ đƣờng dây 220kV