CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI
1.7. Thiết bị đầu cuối ở xa RTU
1.7.4. Phân hệ đầu cuối
Phân hệ đầu cuối là giao diện giữa RTU – một thiết bị điện tử, với thế giới bên ngoài. Chức năng chính của nó là bảo vệ RTU khỏi các tác động từ ngoài môi trường như: quá áp, sét, ngược điện áp, phóng tĩnh điện (ESD), nhiễu trường điện từ (EMI), hoặc nhiệt độ, độ ẩm, …
Đối với các đầu vào số của RTU, thường được đưa qua các rơ le trung gian, cấp nguồn bằng hệ thống pin, do đó cách ly được với thiết bị trường. Các bộ cách ly quang cũng thường được sử dụng trong RTU.
Đối với các đầu vào analog, thường đến từ các bộ chuyển đổi, cảm biến, cặp nhiệt, … bản thân chúng đã được cách ly về điện. Các tín hiệu 4 – 20 mA từ những thiết bị này được đưa trực tiếp tới bộ ADC thông qua các cầu chì và được nối đất ở phía RTU.
1.7.5. Phân hệ kiểm tra và giao diện ngƣời máy
RTU nhìn chung được đặt ở các vị trí xa xôi, khó thao tác, thường không có các màn hình hiển thị riêng. Bảng điều khiển của RTU thường chỉ có các đèn LED để chỉ thị trạng thái của card chức năng trong RTU.
RTU thường có chương trình con để kiểm tra phần cứng/ phần mềm và hiển thị trên panel điều khiển. Kết quả kiểm tra và các thông tin liên quan được gửi tới trạm chủ. Nhờ việc giám sát liên tục của firmware trong RTU mà các sự cố có thể được nhận diện và thực hiện các điều chỉnh cần thiết. Phần mềm chẩn đoán card có thể được chạy ở trạm chủ để xác định card có vấn đề và tiến hành sửa chữa.
Giá thành thấp của LED, LCD cho phép RTU được trang bị các màn hình hiển thị riêng, cho phép người vận hành dễ dàng thao tác khi cần.
1.7.6. Các tính năng khác của RTU
Với sự phát triển của công nghệ vi xử lý và mạch tích hợp, RTU ngày nay có nhiều chức năng và đa dụng với những CPU nhanh hơn, nhiều bộ nhớ hơn, khả năng tính toán mạnh hơn.
Trong công nghiệp điện năng, có thể kể tới một số khả năng khác của RTU như sau: Khả năng hoạt động đa cổng và đa giao thức:
Khi hai trạm chủ yêu cầu dữ liệu từ một trạm biến áp, xu hướng sẽ là lắp đặt hai RTU, mỗi thiết bị báo cáo tới một trạm chủ với cùng bộ tham số. Với hệ thống logic dựa trên nền vi xử lý, khả năng tính toán lưu trữ mạnh hơn, một RTU có thể báo cáo đồng thời tới nhiều trạm chủ.
Đôi khi các RTU cũng phải truyền thông với nhiều thiết bị khác để thực hiện chức năng điều khiển nào đó, điều này yêu cầu phải có nhiều cồng truyền thông. Trong trường hợp này, giá thành và độ phức tạp của firmware sẽ tăng lên, tuy nhiên giá thành tổng để cài đặt và vận hành hệ thống lại giảm xuống.
Phân hệ logic của RTU có một cơ sở dữ liệu dùng chung để lưu trữ thông tin của các công vào/ra và các cơ sở dữ liệu thứ cấp tương ứng với các trạm chủ khác nhau. Giao thức sử dụng để truyền thông với mỗi trạm cũng có thể khác nhau, vì vậy mà RTU phải có khả năng hoạt động đa giao thức.
Ví dụ: RTU ở một trạm biến áp sẽ phải truyền thông đồng thời với các máy chủ cục bộ và với trung tâm điều độ quốc gia. Nó cũng có thể phải giao tiếp với các RTU khác ở cùng mức để thực hiện chức năng bảo vệ nào đó.
Điều khiển vòng kín và tính toán ở mức RTU:
Khác RTU hiện đại có khả năng thực hiện điều khiển vòng kín và các thao tác tính toán phức tạp khác. Khả năng này cho phép giảm tải các trạm chủ, và thiết lập cấu hình điều khiển phân tán. Với điều chỉnh vòng kín, giá trị đặt của quá trình được gửi từ trạm chủ, so sánh với giá trị đo lường và xuất ra tín hiệu điều khiển để duy trì đầu ra của quá trình. Ví dụ là các bộ điều chỉnh điện áp dưới tải của máy biến áp. Hay việc điều khiển các kho tụ ở các lộ ra của trạm phân phối nhằm duy trì hệ số công suất, nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất. Khi đó nhiều đại lượng được đo về: điện áp, hệ số công suất, dòng công suất phản kháng, RTU tính toán và đóng cắt các tụ một cách thích hợp. Điều này, rõ ràng sẽ làm giảm tải cho các trạm chủ.
1.8. Thiết bị điện tử thông minh IED
IED (Intelligent electronic device) được định nghĩa là các thiết bị tích hợp một hay nhiều bộ vi xử lý với khả năng truyền/ nhận dữ liệu hoặc điều khiển từ một nguồn bên ngoài (Ví dụ: các đồng hồ điện tử, rơ le số, bộ điều khiển, …).
Ngày nay, IED phát triển rất mạnh trong tự động hóa trạm, việc dịch chuyển từ RTU sang IED là xu hướng tất yếu do mức độ tích hợp và các tính năng mạnh mẽ của IED.
Hình 1-13: Thiết bị IED REF 545 của hãng ABB.
IED được giới thiệu vào đầu những năm 1980, với các tính năng điều khiển trên nền vi xử lý. Sự phát triển IED là cuộc cách mạng hóa của bảo vệ và tự động hóa trạm biến áp. Các rơ le bảo vệ phát triển từ các loại rơ le cơ – điện đơn chức năng sang các rơ le số đa chức năng dựa trên nền vi xử lý, và tiến tới tích hợp nhiều tính năng bảo vệ trong cùng một rơ le. Tuy nhiên, cuộc cách mạng IED bắt đầu từ khi các chức năng như đo lường chính xác góc pha dòng điện, điện áp, đo dạng sóng, … được tích hợp vào trong các rơ le. Sự phát triển của hạ tầng truyền thông, các giao thức chuẩn là những nhân tố chính dẫn tới sự bùng nổ của IED. Các IED được đóng gói với khả năng điều khiển và giám sát, phân tích báo cáo sự cố, có thể quản lý toàn bộ trạm biến áp mà không cần đến con người. Một số ưu điểm:
- Chí phí lắp đặt và vận hành thấp.
- Thời gian bảo dưỡng ngắn hơn.
- Thời gian phục hồi sau sự cố nhanh.
- Độ tin cậy cao hơn nhờ tự động hóa, tích hợp và cài đặt thích nghi.
1.8.1. Sơ đồ chức năng IED
Hình 1-14 minh họa sơ đồ cấu trúc của một thiết bị điện tử thông minh. Các IED ngày nay có cấu trúc dạng module đảm bảo khả năng đa dụng, linh hoạt và tính năng truyền thông bền vững đa giao thức, nhiều cổng kết nối và thời gian đáp ứng nhanh với tín hiệu thời gian thực. IED cũng có khả năng xử lý dữ liệu mạnh mẽ phục vụ nhiều mục đích khác nhau như bảo vệ, đo lường. IED có thể ghi sự kiện xảy ra, phục vụ cho việc phân tích, đo lường chất lượng điện năng. Điều này loại bỏ các bộ ghi và theo dõi bên ngoài. IED cũng có thể nhận và gửi các tín hiệu tương tự, các tín hiệu số với thang đo điều chỉnh được.
Hình 1-14: Các khối chức năng của IED
Hình 1-15: Các chức năng của IED 1.8.2. Cấu trúc của IED
Cấu trúc của IED cần đảm bảo yếu tố đơn giản trong sử dụng, lập trình và bảo dưỡng thiết bị. Phần cứng được thiết kế với khả năng mở rộng trong tương lai trong khi phần mềm cần đảm bảo các tính năng như bảo vệ, điều khiển, đo lường và truyền thông một cách độc lập.
Phần cứng IED thiết kế với nhiều modun cho phép dễ dàng thay thế, bảo dưỡng mà không phải ngắt các kết nối và panel điều khiển.
Hình 1-16: Cấu trúc của một IED 1.8.3. Phân hệ truyền thông
Các thiết bị IED có khả năng truyền thông linh hoạt, hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau, với nhiều cổng truyền thông, hỗ trợ kiến trúc mở. Các thiết bị IED hiện đại có thể giao tiếp với màn hình HMI, với trạm chủ, hoặc với các thiết bị IED khác.
1.8.4. Các tính năng nâng cao của IED
Tính năng bảo vệ và quan sát góc pha.
Có khả năng lập trình được.
Đo lường và phân tích chất lượng điện năng.
Khả năng tự chẩn đoán lỗi thiết bị.
Báo cáo sự kiện và chuẩn đoán sự cố.
Hình 1-17: Khả năng truyền thông của IED 1.9. Hệ thống truyền thông SCADA
Hệ thống truyền thông đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống SCADA, đặc biệt là các ứng dụng thời gian thực như SCADA trạm và hệ thống điện.
Mạng truyền thông bao gồm các thiết bị dùng để thực hiện việc trao đổi dữ liệu giữa các Server trung tâm và các trạm đầu cuối RTU, IED. Môi trường truyền dẫn có thể là có dây (cáp quang/cáp điện) hoặc không dây (Sóng radio).
Cáp thường được dùng trong các nhà máy với phạm vi triển khai hệ thống nhỏ, dưới một vài km. Khi phải triển khai hệ thống trên diện rộng, người ta thường không dùng cáp vì cho phí xây dựng, quản lý, bảo dưỡng, sữa chữa sẽ rất cao. Khi đó người có thể chuyển sang dùng đường điện thoại (LeasedLine hoặc Dial-up) của các mạng điện thoại công cộng có sẵn để tiết kiệm chi phí. LeasedLine (kênh thuê bao cố định) thường được ứng dụng cho những hệ thống SCADA đòi hỏi luôn phải có sự kết nối online giữa trung tâm và các trạm đầu cuối. Còn Dial-up thường được áp dụng cho những hệ thống chỉ yêu cầu trao đổi dữ liệu theo chu kỳ hoặc khi cần thiết. Lúc đó khi cần trao đổi thông tin, máy chủ tại trung tâm sẽ chủ động quay số để tạo kết nối với các trạm đầu cuối và thực hiện trao đổi thông tin. Trong hai phương thức này, LeasedLine sẽ có chi phí cao hơn vì chúng ta phải thuê hẳn một kênh truyền riêng của nhà cung cấp điện thoại cố định. Còn dùng Dial-up thì chi phí tương tự như các thuê bao điện thoại khác.
Đối với những trạm đầu cuối ở xa có địa hình phức tạp hoặc không có các hạ tầng thông tin có sẵn (chẳng hạn như mạng điện thoại công cộng), việc triển khai một đường truyền có dây sẽ rất tốn kém và phức tạp. Khi đó người ta thường dùng các
sẽ được dùng để tạo các kết nối giữa trung tâm và các trạm đầu cuối ở xa. Với phương tiện này, chúng ta hoàn toàn có thể tạo ra một đường kết nối online. Đối với những vị trí không thể tạo ra đường kết nối trực tiếp, người ta có thể dùng các bộ lặp (Repeater) để tạo kết nối theo kiểu liên vùng hoặc chuyển tiếp.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các mạng máy tính văn phòng (LAN: local Area Network) và mạng máy tính diện rộng (WAN: Wide Area Network), người ta đã xây dựng những giải pháp triển khai SCADA trên nền mạng LAN và WAN, hoặc SCADA chạy tích hợp và hoạt động chung với các ứng dụng khác trên các LAN, WAN có sẵn. Ưu điểm của giải pháp này là có thể tận dụng lại các trang thiết bị có sẵn trên mạng văn phòng của chúng ta như các máy PC làm máy vận hành chẳng hạn. Hơn nữa, cơ sở dữ liệu thông tin của SCADA sẽ được khai thác trực tiếp cho các ứng dụng chuyên môn cần đến nó.
1.10. Giao diện ngƣời máy HMI
Giao diện người – máy HMI (Human – machine interface) là nơi diễn ra sự tương tác giữa con người và hệ thống máy móc. Mục tiêu của giao diện HMI là giúp cho việc vận hành, điều khiển hệ thống được hiệu quả. Vì vậy chúng phải dễ dàng sử dụng, thân thiện với người dùng. Người vận hành chỉ cần cung cấp số đầu vào tối thiểu để thu được đầu ra như mong muốn.
Các thành phần của HMI
Trong hệ thống SCADA, giao diện HMI bao gồm những thành phần sau đây: bảng điều khiển, hộp thoại vận hành, sơ đồ mimic và các thiết bị ngoại vi.
Bảng điều khiển:
Bảng điều khiển (Operator console) là nơi người vận hành giám sát, điều khiển là thành phần rất quan trọng, gồm có bộ phận hiển thị, bàn phím, chuột, … Bộ phận hiển thị thường là các màn hình màu như CRT, LCD. Bộ phận nhập liệu có thể là chuột, bàn phím, hoặc các màn hình cảm ứng.
Hộp thoại vận hành
Hộp thoại vận hành (Operator dialogue) là cách người vận hành truyền thông với máy tính. Các hộp thoại và lệnh thường được thiết kế đơn giản và dễ nhớ. Một số phím có thể được lập trình cho một lệnh hoặc hành động thường xuyên xảy ra, thay cho những thao tác phức tạp để thực hiện lệnh đó.
Sơ đồ mimic
Sơ đồ mimic là thành phần cơ bản của các trung tâm điều khiển, tại đó người vận hành và các nhân viên có cái nhìn toàn cảnh về hệ thống được điều khiển.
Thiết bị ngoại vi: thường là các máy in. 1.11. Các chức năng của SCADA trạm biến áp
Thông tin thể hiện trên sơ đồ nhất thứ: các thông tin chỉ trạng thái của các thiết
bị chuyển mạch, các cảnh báo nếu có trên các thiết bị, các giá trị đo lường, đo đếm, tình trạng làm việc của thiết bị (mang điện, không mang điện, tiếp đất, …)
Hiển thị thông tin trực quan: thông tin được trình bày sao cho người sử dụng
nhanh chóng nhận biết thông tin, nghĩa là được thể hiện dưới dạng đồ họa, dưới các màu khác nhau, dưới các khối hình thể khác nhau, v.v.
Hiển thị sơ đồ nhất thứ: là một cách thể hiện sơ đồ nhất thứ của một TBA hay
của một vùng lưới điện phân phối hoặc toàn bộ lưới điện phân phối. Lưới điện có thể được hiển thị kèm với hệ thống thông tin địa lý (GIS).
Chức năng lập báo biểu, thống kê (reporting): cho phép người dùng trích xuất
các báo cáo hay lập các biểu đồ thống kê về thông tin do hệ thống SCADA/DMS quản lý và lưu trữ.
Chức năng phân quyền (authorization): chương trình cho phép người sử dụng
phân chia quyền truy nhập thông tin cũng như các quyền mà người sử dụng được phép trên hệ thống.
Chức năng mô phỏng, đào tạo (training simulation): giải quyết các bài toán thực tế trong môi trường mô phỏng hoặc dùng để đào tạo người sử dụng
Chức năng cài đặt các ràng buộc (khoá liên động): đối với thao tác trên các thiết
bị điện: cấm đóng, cấm cắt, v.v.
Chức năng phân tích sự cố: Nhờ việc thu thập và lưu trữ lại các thông số đo được
trên hệ thống và các tác động của bảo vệ rơ le, hệ thống SCADA có thể được sử dụng để trình bày lại các sự kiện trong quá khứ, phục vụ phân tích sự cố.
Chức năng ghi nhận sự kiện theo tuần tự (SOE): là một chương trình ghi lại tất
cả các sự kiện trên hệ thống điện (thay đổi trạng thái của các thiết bị, tác động bảo vệ rơle v.v…) theo trình tự thời gian với độ phân giải là 1ms.
Chức năng cảnh báo: Chương trình cho phép người dùng thiết lập các cảnh báo
khi hệ thống phát hiện các thay đổi bất thường hoặc khi có các sự kiện xảy ra trên các thiết bị điện được giám sát (điện áp thấp, máy cắt mở, v.v.). Chức năng cảnh báo còn được áp dụng cho cả các thiết bị RTU, máy tính, thiết bị thông tin.
1.12. Kết luận chƣơng 1
Chương này trình bày tổng quan về hệ thống truyền tải điện của mạng điện Việt Nam, vài trò của trạm phân phối trong hệ thống cung cấp điện.
Phân tích cấu hình của trạm phân phối, các thiết bị trong trạm: Máy biến áp, máy cắt, dao cách ly, TI, TU,… cùng thông số kỹ thuật và nguyên lý hoạt động của thiết bị.
Chương 1 cũng trình bày các vấn đề về tự động hóa trạm biến áp, ứng dụng của hệ thống điều khiển giám sát SCADA trong ngành điện.
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SCADA ĐIỆN LỰC 2.1. Khái quát chung 2.1. Khái quát chung
Hệ thống truyền thông SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp giữa thiết bị trường với trung tâm điều khiển, hoặc giữa các thiết bị với nhau. Thông qua các kênh truyền thông, trung tâm điều khiển có thể truy cập từ xa các dữ liệu trường theo thời gian thực và xác định trạng thái của hệ thống: các vector dòng điện, điện áp trên thanh cái, phụ tải hiện thời, các vị trí của máy cắt, dao cách ly, … Lệnh điều khiển