Nguyên lý làm việc của hệ thống SCADA ngành điện

4. Ý nghĩa của đề tài

1.1.4. Nguyên lý làm việc của hệ thống SCADA ngành điện

1.1.4.1. Nguyên lý chung

Khi các thiết bị đang vận hành vi phạm các giới hạn cho phép của các thông số kỹ thuật hoặc bị sự cố, hệ thống tự động đưa ra các tín hiệu cảnh báo dạng chuông, còi, hiển thị nội dung sự kiện cảnh báo bằng những dòng lệnh theo màu sắc và nhấp nháy, điều này giúp cho các kỹ sư điều hành hệ thống điện có những hành động ứng xử kịp thời để đưa các thiết bị trở lại trạng thái vận hành bình thường

Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa

Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 13

hoặc đưa các thiết bị dự phòng vào hoạt động thay thế nhằm đảm bảo cho hệ thống điện vẫn làm việc ở trạng thái ổn định và tinh tế.

Tất cả các sự kiện xảy ra đối với các thiết bị trên hệ thống điện, đối với các chế độ vận hành hệ thống điện đều được lưu trữ tự động theo trật tự thời gian, có độ chính xác đến từng mili giây (ms), có thể truy xuất khi cần thiết dưới dạng các bảng biểu, đồ thị giúp cho quá trình xử lý và phân tích sự cố được chính xác.

Hệ thống SCADA cho phép các kỹ sư điều hành có thể thực hiện các thao tác, điều khiển các thiết bị từ xa như khởi động hay ngừng các tổ máy phát điện, thay đổi công suất theo yêu cầu, đóng cắt các thiết bị, điều chỉnh nấc điện áp của các máy biến áp. Khả năng này cho phép giảm bớt nhân lực, tiến tới có thể xoá bỏ chế độ người trực vận hành ở các trạm điện, các nhà máy. Các thiết bị làm việc hoàn toàn tự động, được điều khiển từ xa từ các trung tâm điều độ.

1.1.4.2. Nguyên lý làm việc cụ thể

 Các dạng dữ liệu phục vụ thu thập thông tin

Dữ liệu từ các trạm biến áp và các nhà máy điện được chia làm ba loại chính:

- Dữ liệu trạng thái: Trạng thái các máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, các

khoá điều khiển từ xa/tại chỗ v.v... Các cảnh báo của các bảo vệ

- Dữ liệu tương tự: Công suất tác dụng MW, phản kháng MVAr, điện áp,

dòng điện, vị trí nấc biến áp v.v...

- Dữ liệu tích lũy theo thời gian: Điện năng kWh, kvarh v.v...

Các dữ liệu trạng thái từ các rơ le trung gian được đưa vào các đầu vào số của RTU, còn các dữ liệu tương tự từ cuộn thứ cấp của máy biến dòng điện và điện áp được đưa vào các bộ biến đổi (tranducer), đầu ra của bộ biến đổi được đưa vào các cổng đầu vào tương tự của RTU. Tại RTU dữ liệu được số hoá và thông qua kênh truyền (giao thức) gửi về trung tâm điều độ.

 Điều khiển:

- Lệnh điều khiển từ hệ thống SCADA của trung tâm điều độ thông qua kênh

truyền gửi đến RTU hoặc SAS (Substation Automation System), các lệnh điều khiển có thể là:

- Lệnh đóng cắt máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa (open/close)

Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa

Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 14

- Lệnh điều khiển thay đổi giá trị đặt (Setpoint)

 Giám sát:

Dữ liệu thu thập từ các trạm về trung tâm điều khiển sẽ được máy tính xử lý:

- Hiển thị trên các sơ đồ, bảng biểu và các dạng đồ thị xu hướng

- Đối với dữ liệu trạng thái (máy cắt, dao cách ly, cảnh báo v.v...) khi phát hiện ra có sự thay đổi trạng thái hệ thống SCADA sẽ phát cảnh báo bằng âm thanh và dòng thông báo để lôi kéo sự chú ý của người vận hành

- Đối với dữ liệu giá trị đo xa, dữ liệu nhận được sẽ được kiểm tra so sánh với

các ngưỡng dưới và ngưỡng trên (đã được định trước), nếu giá trị đo được bị vi phạm thì hệ thống sẽ phát cảnh báo cho người vận hành.

1.1.5. Ứng dụng vào thực tế của hệ thống SCADA

Ngày nay các hệ thống điều khiển giám sát không chỉ là hệ thống quản lý thuần túy về kỹ thuật. Vai trò của hệ thống SCADA cũng chỉ quản lý hạ tầng kỹ thuật với các phần mềm tương ứng. Các hệ thống SCADA nói trên cần được tích hợp thêm các ứng dụng kinh tế - kỹ thuật và thị trường. Đối với ngành năng lượng hệ thống như vậy được gọi là SCADA/EMS. Đây là chức năng đang được áp dụng tại Việt nam.

Với những ưu điểm nổi bật kết hợp với tính năng tiện lợi và chính xác, do đó hệ thống SCADA ngày càng được ứng dụng rộng rãi cho các hệ thống như: Hệ thống điện, hệ thống xe lửa, nhà máy nước sạch, hàng hải v v ...

Các kiểu kết nối giữa các thiết bị trong trạm biến áp, các kiểu truyền tin thông qua mô hình kết nối mạng LAN – WAN luôn được tuân thủ theo các tiêu chuẩn được quy định và áp dụng chặt chẽ trong các thiết bị kết nối trong SCADA như là: Cấu trúc mạng thiết bị, các giao diện, giao thức truyền thông, cụ thể được đề cập trong mục 1.2 - Chương 1.

1.2.Tổng quan chung về mạng máy tính, giao diện và giao thức kết nối

1.2.1. Khái quát chung về mạng máy tính 1.2.1.1. Mạng cục bộ LAN 1.2.1.1. Mạng cục bộ LAN

Mạng cục bộ LAN (Local Area Network) là hệ truyền thông tốc độ cao được thiết kế để kết nối các máy tính và các thiết bị xử lý dữ liệu khác cùng hoạt động

Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa

Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 15

với nhau trong một khu vực địa lý nhỏ như ở một tầng của toà nhà, hoặc trong một toà nhà v v…Một số mạng LAN có thể kết nối lại với nhau trong một khu làm việc.

Các mạng LAN trở nên thông dụng vì nó cho phép những người sử dụng (users) dùng chung những tài nguyên quan trọng như máy in,ổ đĩa CD-ROM, dữ liệu chia sẻ, các phần mềm ứng dụng và những thông tin cần thiết khác. Để tận dụng những ưu điểm của mạng LAN người ta đã kết nối các LAN riêng biệt vào mạng chính yếu diện rộng WAN (Wide Area Network). Các thiết bị gắn với mạng LAN đều dùng chung một phương tiện truyền tin đó là dây cáp, cáp thường dùng hiện nay là: Cáp đồng trục (Coaxial cable), Cáp dây xoắn (shielded twisted pair), cáp quang (Fiber optic),….

1.2.1.2. Mạng diện rộng WAN

Mạng WAN là mạng được thiết lập để liên kết các máy tính của hai hay nhiều khu vực khác nhau cách xa về mặt địa lý. Các WAN kết nối các mạng người sử dụng qua một phạm vi địa lý rộng lớn, nên chúng mở ra khả năng cung ứng hoạt động thông tin cự ly xa cho cơ quan, doanh nghiệp. Sử dụng mạng WAN cho phép các máy tính, máy in và các thiết bị khác trên một LAN chia sẻ và được chia sẻ với các vị trí ở xa. WAN cung cấp truyền thông tức thời qua các miền địa lý rộng lớn. Các WAN được thiết kế để làm các công việc sau:

- Hoạt động qua các vùng tách biệt về mặt địa lý

- Cho phép các người sử dụng có khả năng thông tin thời gian thực với người

sử dụng khác

- Cung cấp các kết nối liên tục các tài nguyên xa vào các dịch vụ cục bộ

- Cung cấp Email, www, FTP và các dịch vụ thương mại điện tử.

1.2.2. Cấu hình mạng (Topology)

Hình trạng của mạng thể hiện qua cấu trúc hay hình dáng hình học của các đường dây cáp mạng dùng để liên kết các máy tính thuộc mạng với nhau. Các mạng cục bộ thường hoạt động dựa trên cấu trúc đã định sẵn liên kết các máy tính và các thiết bị có liên quan. Trước hết chúng ta xem xét hai phương thức nối mạng chủ yếu được sử dụng trong việc liên kết các máy tính là "một điểm - một điểm" và "một điểm - nhiều điểm ".

Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa

Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 16

Với phương thức "một điểm - một điểm" các đường truyền riêng biệt được thiết lập để nối các cặp máy tính lại với nhau. Mỗi máy tính có thể truyền và nhận trực tiếp dữ liệu hoặc có thể làm trung gian như lưu trữ những dữ liệu mà nó nhận được rồi sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho một máy khác để dữ liệu đó đạt tới đích.

Theo phương thức "một điểm - nhiều điểm " tất cả các trạm phân chia chung một đường truyền vật lý. Dữ liệu được gửi đi từ một máy tính sẽ có thể được tiếp nhận bởi tất cả các máy tính còn lại, bởi vậy cần chỉ ra điạ chỉ đích của dữ liệu để mỗi máy tính căn cứ vào đó kiểm tra xem dữ liệu có phải dành cho mình không nếu đúng thì nhận còn nếu không thì bỏ qua.

Tùy theo cấu trúc của mỗi mạng chúng sẽ thuộc vào một trong hai phương thức nối mạng và mỗi phương thức nối mạng sẽ có những yêu cầu khác nhau về

phần cứng và phần mềm.[1].

1.2.2.1.Cấu hình mạng hình sao (Star)

Hình 1.3. Mô hình mạng hình sao

Mạng dạng hình sao bao gồm một trung tâm và các nút thông tin. Các nút thông tin là các trạm đầu cuối, các máy tính và các thiết bị khác của mạng.

Trung tâm của mạng điều phối mọi hoạt động trong mạng với các chức năng cơ bản là:

- Xác định cặp địa chỉ gửi và nhận được phép chiếm tuyến thông tin và liên lạc

với nhau.

- Cho phép theo dõi và xử lý sai trong quá trình trao đổi thông tin.

- Thông báo các trạng thái của mạng.

Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa

Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 17

Hoạt động theo nguyên lý nối song song nên nếu có một thiết bị nào đó ở một nút thông tin bị hỏng thì mạng vẫn hoạt động bình thường.

Cấu trúc mạng đơn giản và các thuật toán điều khiển ổn định. Mạng có thể mở rộng hoặc thu hẹp tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng.

 Nhược điếm

Khả năng mở rộng mạng hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng của trung tâm.

Khi trung tâm có sự cố thì toàn mạng ngừng hoạt động.

Mạng yêu cầu nối độc lập riêng rẽ từng thiết bị ở các nút thông tin đến trung tâm. Khoảng cách từ máy đến trung tâm rất hạn chế (100 m).

1.2.2.2. Cấu hình mạng vòng (Ring):

Hình 1.4. Mô hình mạng vòng tròn - Ring

 Các đặc điểm của từng topo mạng Ring

Mạng dạng này, bố trí theo dạng xoay vòng, đường dây cáp được thiết kế làm thành một vòng khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một chiều nào đó. Các nút truyền tín hiệu cho nhau mỗi thời điểm chỉ được một nút. Dữ liệu truyền đi phải có kèm theo địa chỉ cụ thể của mỗi trạm tiếp nhận.

 Ưu điểm của topo mạng Ring

Mạng dạng vòng có thuận lợi là có thể nới rộng ra xa, tổng đường dây cần thiết ít hơn so với các dạng mạng trên.

 Nhược điểm

Đường dây phải khép kín, nếu bị ngắt ở một nơi nào đó thì toàn bộ hệ thống cũng bị ngừng.

Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa

Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 18

1.2.2.3. Cấu hình mạng Bus

Hình 1.5. Mô hình mạng kiểu Bus

Theo cách bố trí hành lang các đường như hình vẽ thì máy chủ (host) cũng như tất cả các máy tính khác (workstation) hoặc các nút (node) đều được nối về với nhau trên một trục đường dây cáp chính để chuyển tải tín hiệu

Tất cả các nút đều sử dụng chung đường dây cáp chính này. Phía hai đầu dây cáp được bịt bởi một thiết bị gọi là terminator. Các tín hiệu và gói dữ liệu (packet) khi di chuyển lên hoặc xuống trong dây cáp đều mang theo điạ chỉ của nơi đến.

 Ưu điểm của topomạng bus

- Dùng dây cáp ít, dễ lắp đặt.

- Không giới hạn độ dài cáp

 Nhược điểm

- Sẽ gây ra nghẽn mạng khi chuyển lưu lượng dữ liệu lớn

1.2.2.4. Cấu hình mạng hỗn hợp

Là sự kết hợp các kiểu kết nối khác nhau ví dụ hình cây là cấu trúc phân tầng hình sao hay các Hub có thể được nối với nhau theo kiểu Bus còn từ Hub nối máy tính theo dạng hình sao.

Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa

Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 19

Hình 1.6: Mô hình mạng hỗn hợp

1.2.3. Giao diện kết nối hay sử dụng trong SCADA

Giao diện là chuẩn quy định kỹ thuật ghép nối số liệu giữa 2 thiết bị. Ví dụ RS232, RS485,.v.v...

Giao thức là chuẩn quy định thủ tục (cách thức) giao tiếp giữa 2 thiết bị hoặc 2 trạm phục việc trao đổi số liệu giữa chúng. Ví dụ HDLC, SDLC, TCP/IP,.v.v...

Giao diện là kênh vật lý và giao thức là kênh logic phục vụ trao đổi số liệu giữa 2 thiết bị hoặc 2 trạm.

Để truyền số liệu có thể sử dụng nhiều giao thức khác nhau trên cùng 1 giao diện giữa 2 thiết bị.

Giao thức có liên kết dữ liệu: Giao thức này đòi hỏi 2 trạm tương tác với nhau trong quá trình truyền số liệu. Các giao thức này thao tác trên các phần chia nhỏ từ dữ liệu toàn bộ,

Giao thức không liên kết dữ liệu: Giao thức này không đòi hỏi 2 trạm tương tác với nhau trong quá trình truyền số liệu. Các giao thức này thao tác trên toàn bộ dữ liệu. Thực chất đây là phần mô tả dữ liệu 1.

1.2.3.1.Giao diện kết nối RS232

Giao diện RS232 sử dụng phương pháp truyền dị bộ với các tốc độ chuẩn là 50, 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400 bps và có thể cao hơn nhưng không vượt quá 56kbps.

Cổng nối tiếp (Serial port) là một cổng thông dụng trong các máy tính trong các máy tính truyền thống dùng kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính như: bàn

Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa

Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 20

phím, chuột điều khiển, modem, máy quét...Cổng nối tiếp còn có tên gọi khác như: Cổng COM, Communication.

Ngày nay, do tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn so với các cổng mới ra đời nên các cổng nối tiếp đang dần bị loại bỏ trong các chuẩn máy tính hiện nay, chúng được thay thế bằng các cổng có tốc độ nhanh hơn như: USB

1.2.3.2.Giao diện RS485

Mạng sử dụng chuẩn RS-485 rất đa dạng. Đối với một mạng Multi-network thực sự gồm nhiều mạch phát và nhận cùng nối vào một đường dây bus chung, mỗi node đều có thể phát và nhận data thì RS485 đáp ứng cho yêu cầu này.

Chuẩn RS-485 cho phép 32 mạch truyền và nhận cùng nối vào đường dây bus (với bộ lặp Repeater tự động và các bộ truyền nhận trở kháng cao, giới hạn này có thể mở rộng lên đến 256 node mạng). Bên cạnh đó RS-485 còn có thể chịu được các xung đột data và các điều kiện lỗi trên đường truyền.

Một số ưu điểm của RS-485

Giá thành thấp: Các bộ điều khiển Driver và bộ nhận Receiver không đắt và chỉ yêu cầu cung cấp nguồn đơn +5V để tạo ra mức điện áp vi sai tối thiểu 1.5V ở ngõ ra vi sai.

Khả năng nối mạng: RS-485 là một giao diện đa điểm, thay vì giới hạn ở hai đơn vị, RS-485 là giao diện có thể cung cấp cho việc kết nối có nhiều bộ truyền và nhận. Với bộ nhận có trở kháng cao kết hợp với bộ repeater, RS-485 có thể cho kết nối lên đến 256 node.

Khả năng kết nối

RS-485 có thể truyền xa 1200m, tốc độ lên đến 10Mbps. Nhưng 2 thông số này không xảy ra cùng lúc

Ví dụ: khi tốc độ là 90Kbps thì khoảng cách là 1200m, 1Mbps thì khoảng cách là 120m, còn tốc độ 10Mbps thì khoảng cách là 15m

Sở dĩ, RS-485 có thể truyền trên một khoảng cách lớn là do chúng sử dụng đường truyền cân bằng. Mỗi một tín hiệu sẽ truyền trên một cặp dây, với mức điện áp trên một dây là điện áp bù (trái dấu) với điện áp trên dây kia

Vì có khả năng chống nhiễu tốt như vậy nên chuẩn RS-485 có khả năng