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
82
Hình 3. 13: Màn hình sơ đồ kết nối mạng LAN
3.3.3. Áp dụng IEC61850 thực hiện liên động trong TBA 220kV Tây Hồ.
Trong mỗi TBA có rất nhiều các logic liên động phục vụ cho việc giám sát điều khiển, tuy nhiên điển hình nhất đó là liên động giữa các tiếp địa thanh cái và các Dao cách ly (DCL) nối vào thanh cái đó. Các tiếp địa thanh cái thƣờng đƣợc đặt và giám sát tại ngăn lộ Buscoupler ( nhƣ ngăn DBC) cần liên động đối với các DCL nối vào thanh cái nhƣng đƣợc đặt và giám sát tại các ngăn lộ khác nhƣ DCL tại các ngăn lộ đƣờng dây.
Việc áp dụng IEC61850 cho việc thiết kế liên động giữa tiếp địa thanh cái (ES_C21 và ES_C22) và DCL thanh cái tại các ngăn đƣờng dây (DS1, DS2) đƣợc thực hiện nhƣ sau:
Xác định các dữ liệu cần trao đổi giữa các IED.
DBC_D04 DLL
ES_C21 OPEN
ES_C22 OPEN
DS1 OPEN
83
Thiết kế các biến trung gian phục vụ truyền GOOSE.
- Đối với IED SEL-451-1 tại ngăn lộ DBC:
ASV012 := IN215 AND NOT IN214 # ES_C21 OPEN
ASV022:= IN219 AND NOT IN218 # ES_C22 OPEN
Trong đó: ASV012, ASV022 : các biến trung gian của rơ le SEL-451
IN214, IN215…. : các INPUT của rơ le SEL-451 (tham khảo chi tiết trong phần phụ lục)
- Đối với IED SEL-451 tại ngăn lộ đƣờng dây DLL
ASV008 := IN209 AND NOT IN208 # DS1 OPEN
ASV010 := IN211 AND NOT IN210 # DS2 OPEN
Trong đó: ASV008, ASV010 : các biến trung gian của rơ le SEL-451
IN214, IN215…. : các INPUT của rơ le SEL-451 (tham khảo chi tiết trong phần phụ lục)
Lập bảng dữ liệu truyền GOOSE.
Ta có bảng dữ liệu truyền GOOSE giữa các IED của hai ngăn lộ Buscoupler và ngăn lộ đƣờng dây nhƣ sau:
DBC (RL1) DLL (RL1) Mô tả tín hiệu truyền/nhận
VB001 ASV008 DS1 (DLL) OPEN VB002 ASV010 DS2 (DLL) OPEN … …. VB005 D02RL1.GooseDSet15.Message Quality bit 0
ASV012 VB001 ES_C21 OPEN
ASV022 VB002 ES_C22 OPEN
…. …. ….
VB007 DBC_RL1.GooseDSet15.Message
84
Hình 3. 14 : Dữ liệu GOOSE truyền/nhận giữa ngăn lộ Buscoupler và ngăn lộ đƣờng dây
Thiết kế logic liên động.
Với kết quả từ việc áp dụng IEC61850 và cụ thể là ứng dụng truyền tin GOOSE ta có thể dễ dàng thiết kế các logic liên động của tiếp địa thanh cái (ES_C21, ES_C22) và logic liên động của các DCL DS1, DS2 nhƣ sau:
- Logic liên động của các tiếp địa thanh cái: Điều kiện liên động của các tiếp địa thanh cái:
(Các DCL DS1(DS2) tại ngăn DBC đều mở) and (các DCL nối với thanh cái tƣơng ứng đều mở)
ASV008 := IN209 AND NOT IN208 # DS1 OPEN
ASV010 := IN211 AND NOT IN210 # DS2 OPEN
ASV053:= (VB001 AND NOT VB005) AND (VB006 AND NOT VB010) AND (VB011 AND NOT VB015) AND (VB016 AND NOT VB020) # ALL DS1 OPEN
85
ASV055:= (VB002 AND NOT VB005) AND (VB007 AND NOT VB010) AND (VB012 AND NOT VB015) AND (VB017 AND NOT VB020) # ALL DS2 OPEN
ASV035 := (ASV053 AND ASV008) # ES12 INTERLOCK
ASV037 := (ASV055 AND ASV010) # ES22 INTERLOCK
Nhƣ vậy logic liên động cho các tiếp địa ES_C21 và ES_C22 có thể dễ dàng thiết kế và cài đặt thông qua các biến trung gian, cụ thể ở đây là các biến ASV035 và ASV037.
- Liên động của các DCL nối vào thanh cái (DS1 và DS2):
Tƣơng tự nhƣ trên, dựa vào bảng dữ liệu GOOSE trong phần phụ lục, ta có thiết kế liên động cho các DCL nhƣ sau:
ASV004 := IN207 AND NOT IN206 # CB OPEN
ASV007 := IN208 AND NOT IN209 # DS1 CLOSED
ASV008 := IN209 AND NOT IN208 # DS1 OPEN
ASV009 := IN210 AND NOT IN211 # DS2 CLOSED
ASV010 := IN211 AND NOT IN210 # DS2 OPEN
ASV017:= IN214 AND NOT IN215 # ES11 CLOSED
ASV018:= IN215 AND NOT IN214 # ES11 OPENED
ASV019:= IN216 AND NOT IN217 # ES71 CLOSED
ASV020:= IN217 AND NOT IN216 # ES71 OPENED
ASV033:= (ASV004 AND ASV010 OR ASV009 AND VB005 AND NOT VB007 OR ASV008 AND VB006 AND NOT VB007) AND VB001 AND NOT VB007 AND ASV018 AND ASV020 # DS1 INTERLOCK
ASV034:= (ASV004 AND ASV008 OR ASV007 AND VB005 AND NOT VB007 OR ASV010 AND VB006 AND NOT VB007) AND VB002 AND NOT VB007 AND ASV018 AND ASV020 # DS2 INTERLOCK
86
CHƢƠNG 4 KẾT LUẬN
Nội dung tổng quát của luận văn là một quá trình tập trung tìm hiểu cách thức