3.6 IEC61850 phần 7 – 510 hướng dẫn và mô hình hóa các khái niệm
Trong phần IEC61850 – 7 – 410, đã làm rõ một số những nút logic tiêu biểu trong nhà máy thủy điện, những để các nút logic này kết nối, phối hợp các chức năng và trao đổi thông tin với nhau như thế nào để tạo thành hệ thống điều khiển hợp nhất trong nhà máy thì sẽđược giới thiệu và làm rõ trong IEC61850 – 7 – 510. [7]
Việc xác định, cụ thể hóa hệ thống truyền thông trong nhà máy là bước cơ bản nhằm xác định được các thiết bị điện tử thông minh (IED) được kết nối với nhau như thế nào. Công việc này giúp cho ta hình dung được những thiết bị điện điện tử thông minh (IED) sẽ kết nối với các thiết bịđo như thế nào. [7]
77
Bảng dưới đây ví dụ một vài thiết bị vật lý được sử dụng cho việc điều khiển trong nhà máy thủy điện nhỏ. [7]
Bảng 3.17: Một số thiết bị điện tử thông minh (IED) sửdụng trong nhà máy thủy điện nhỏ
78
Hình 3.34: Mạng lưới kết nối đơn giản giữa các thiết bị IED trong nhà máy [7]
Hình 3.35: Sơ đồ khối thể hiện việc tương tác giữa các Logical Divices và Logical Nodes [7]
79
Đểlàm rõ hơn ta đi phân tích quá trình khởi động trong nhà máy thủy điện khi sử dụng các IED, và các LN, LD.
Quy trình khởi động, máy phát từ trạng thái dừng chuyển sang chếđộ chạy không tải. Quá trình này bao gồm 2 LD là : “SEQ_SnlExcStr” và “SEQ_GenStr”
Bước 1:
SEQ_SnlExcStr/HSEQ.StrCmd.ctlVal = true & ' Quá trình chạy máy phát không tải
đang diễn ra
GEN/HUNT.ReqSt.ctlVal = 3 or ' Máy phát đang ở trạng thái không tải
EXT/GAPC.SPCS01.ctlVal= true ' Bắt đầu đưa kích từ vào làm việc
GEN/MMXU.PPV.phsBC.cVal > 90 ' Điện áp đầu cực máy phát lớn hơn 90% giá trị
định mức [7] Bước 2:
80
SYN/CSYN.StrSyn.ctlVal = true ' Quá trình hóa đồng bộ bắt đầu
GEN/KFAN.Oper.ctlVal = true ' Khởi động quạt làm mát
GEN/HUNT.UntOpSt.stVal = 3 'Khởi động hệ thống thiết bị phụ: nước làm mát, dầu làm mát…
CBR/XCBR.Pos.stVal = 2 'Đóng máy cắt
GEN/HUNT.UntOpSt.stVal = 7 ' Đã hòa xong
Hình 3.36: Phối hợp điều khiển mởcánh hướng
LN: ACTM cấp xung vào LD: GatePlusGenerator (bộ điều khiển cánh hướng) làm
thay đổi góc mởcánh hướng, đồng thời thay đổi lưu lượng nước dẫn đền làm thay đổi tốc độ Roto và tần số. Các tham sốđo lường tốc độ Roto và tần sốđược tham chiếu vào 2 LN
là LN:HSPD và LN: MMXU
81
Các tham số từ 2 LN: HLVL và LN: FSPT là các tham số đầu vào của LD: OptimumSpeedFunction, dựa trên các tham số về mức nước của hồ chứa và tham số công suất cài đặt LD: OptimumSpeedFunction sẽ thiết lập 1 hàm để tối ưu hóa tốc độ, đồng thời tham chiếu giá trị này vào LN: HGOV, giá trị tham chiếu này lại là đầu vào cho các LD khác để thực hiện quá trình điều khiển, nhằm đạt được giá trị cài đặt mong muốn. [7]
Kết nối chức năng điều khiển trong nhà máy thủy điện
Hình 3.38: Cấu trúc điều chỉnh điện áp máy phát truyền thống
Như đã đề cập ở trên, phần lớn các thiết bị trong nhà máy thủy điện hiện nay hoạt động tương đối độc lập với nhau và thường chỉ giao tiếp gián tiếp và PLC mà thôi. [7]
Hình 3.39: Cấu trúc mới khi sử dụng tiêu chuẩn IEC61850
Bằng công tác cấu hình tạo liên kết giữa các thiết bị IED về mặt chức năng, các thiết bị này đã có thể liên kết trực tiếp với nhau, đầu ra của thiết bị này là đầu vào của thiết bị
82
kia mà không cần phải qua bộ điểu khiển trung gian. Làm giảm đi đáng kể cấu trúc của hệ thống và việc đi dây truyền thống.
Các IED do bất kỳ các nhà cung cấp nào cũng đều có các file mô tả bên trong, nhằm mục đích cầu hình truyền thông cài đặt thông số…
Hình 3.40: Các file mô tả thiết bị dưới dạng ngôn ngữ SCLVí dụ file ICD của điều tốc bằng ngôn ngữ XML Ví dụ file ICD của điều tốc bằng ngôn ngữ XML
---File Governor.ICD--- <?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
<SCL xmlns="http://www.iec.ch/61850/2003/SCL" xmlns:xsi=http://www.w3.org/2001/XMLSchemainstance
xsi:schemaLocation="http://www.iec.ch/61850/2003/SCL SCL.xsd"> <IED name="G1-GOV"> ‘ Tên thiết bị IED
83 <Server>
<Authentication />
<LDevice inst="A1_M1"> ‘ thiết bị logic A1_M1
<LN0 lnType="LN0" lnClass="LLN0" inst="" /> “ Nút Logical LN0
<LN inst="1" lnClass="MMXU" lnType="MMXU"> ‘ Chức năng dùng đểđo lường <DOI name="TotW"> “ Thông số đo lường là tổng công suất
<DAI name="d">
<Val>G1-T1</Val>
</DAI> </DOI>
<DOI name="Hz"> ‘ Thông sốđo lường là tần số máy phát <DAI name="d"> <Val>G1-T3</Val> </DAI> </DOI> </LN> </LDevice> </Server> </AccessPoint> </IED> </SCL> ---EOF---
3.7 Đề xuất giải pháp ứng dụng tiêu chuẩn IEC61850 vào trong nhà máy thủy điện
Qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu và phân tích ởtrên đã cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về tiêu chuẩn IEC61850, thấy được tầm qua trọng của tiêu chuẩn vào việc áp dụng những đối tượng được mô hình hóa hay việc sử dụng thiết bị ảo thông qua Logical Nodes để điều khiển và giám sát những thiết bị thực. Đồng thời cung cấp khiến thức về sử dụng thuộc tính dữ liệu trong việc điều khiển, giám sát thiết bị thông qua mô hình dịch vụ truyền thông hay mô tả cơ chế trao đổi thông tin giữa các IED. Từ đó ta sẽ có các phương án ứng dụng tiêu chuẩn này vào việc xây dựng, thiết kế hệ thống SCADA trong nhà máy thủy điện.
3.7.1 Phân tích các bước thiết kế hệ thống điều khiển – giám sát trong nhà máy thủy
điện theo tiêu chuẩn IEC61850.
3.7.1.1 Những yêu cầu cho việc xây dựng hệ thống theo IEC61850
Quá trình thực hiện cần đảm bảo những yêu cầu như độ tin cậy, đó là một trong những yêu cầu quan trọng cần có. Với yêu cầu hệ thống không được ngừng hoạt động khi chỉ có một điểm nào đó bị sự cố, song song đó việc giám sát và điều khiển tại chỗ vẫn
84
được duy trì. Từđó, việc thiết kế hệ thống có tính dự phòng là cần thiết phải tính đến, dự phòng giúp loại trừ trường hợp có một bộ phận hư hỏng khiến cho cả hệ thống ngừng hoạt động.
Để một hệ thống đáp ứng được độ tin cậy thì hệ thống đó phải có các đặc tính sau: - Hệ thống bảo vệ hoạt động độc lập
- HMI cần hoạt động độc lập với giao diện điều khiển từ xa đến trung tâm điều độ - Tính sẵn sàng của hệ thống: Khi có sự cố trên hệ thống bảo vệ chính, ta không xem
đó là nguyên nhân của việc dừng hoạt động của hệ thống, nếu như vẫn còn một điểm khác có thể điều khiển được.
- Tự động khôi phục (Backup): Là cần thiết trong hệ thống tự động hóa nhà máy thủy điện. Khi đó nếu có một sự cố đơn lẻ nào đó sẽ không làm mất đi dữ liệu của hệ thống cũng như gây trở ngại cho hoạt động của hệ thống. Tiêu chuẩn về truyền thông trong hệ thống tự động hóa trong nhà máy cần có tính dự phòng hoặc phải có các kết nối linh hoạt để tránh việc hệ thống ngừng hoạt động do sự cố mất tín hiệu điều khiển (ví dụ, do đứt cáp…).
3.7.1.2 Những yêu cầu cho việc nâng cấp hệ thống điều khiển giám sát trong
nhà máy thủy điện theo IEC61850.
Việc nâng cấp, mở rộng một hệ thống điều khiển giám sát trong nhà máy thủy điện đã xây dựng tuân theo đúng tiêu chuẩn IEC61850 là việc làm cần thiết, phù hợp với xu hướng phát triển của công nghệ hiện đại hóa. Trong phạm vi của đề tài sẽđề xuất phương hướng với những mong muốn nâng cấp chưa có sự hỗ trợ của tiêu chuẩn IEC61850 hoặc với những nhà máy mà hệ thống điều khiển và thiết bịđã quá lạc hậu.
Đánh giá những hạn chế và thiếu sót của các nhà máy cũ: Trước hết, cần nêu lên các mặt hạn chế, thiếu sót của các nhà máy đã xây dựng và vận hành, từđó rút ra cách giải quyết thích hợp và hiệu quả.
- Hiện nay các nhà máy trong hệ thống thuộc tập đoàn EVN phần lớn được xây dựng bởi các thiết bị thuộc nhiều thế hệ, nhiều chủng loại từ nhiều nhà cung cấp khác nhau, không tuân theo tiêu chuẩn IEC61850. Muốn có một hệ thống đồng bộ, đảm
85
bảo các yêu cầu về trao đổi thông tin, dữ liệu, cần phải thay thế hầu hết các thiết bị điều khiển, nên chi phí đầu tư nâng cấp sẽ rất lớn.
- Một số phần mềm điều khiển nhà máy đã không được cung cấp mã nguồn, khiến việc mở rộng nhà máy trở nên hết sức khó khăn. Hơn nữa, vẫn còn một số thiết bị chưa thống nhất với nhau theo tiêu chuẩn quốc tế.
- Hệ thống điều khiển của nhà máy sử dụng giao thức khác nhau như: Modbus, Profibus… để kết nối với nhau, vì vậy muốn kết nối với các thiết bị theo tiêu chuẩn IEC61850, cần có các bộ biến đổi giao thức.
- Giao diện HMI của nhà máy vẫn thiếu các chức năng như giám sát hệ thống điện tự dùng.
- Các phần mềm hiện tại cũng chưa xây dựng hệ cơ sở dữ liệu, giúp nhân viên vận hành khai thác tối đa các thông tin thu nhận được.
- Nhân viên vận hành chưa được tiếp xúc nhiều với các hệ thống tự động hóa nhà máy hiện đại trên thế giới, cũng như kiến thức về tiêu chuẩn IEC61850 còn nhiều hạn chế, nên quá trình vận hành nhà máy còn gặp nhiều khó khăn. Ngoài ra, còn một số nhà máy chưa được trang bị hệ thống tự động hóa đồng bộ thời gian theo hệ thống định vị toàn cầu GPS.
Hướng nâng cấp và phát triển nhà máy theo tiêu chuẩn IEC61850: Thiết kế hệ thống điều khiển - bảo vệ mới: Đối với các nhà máy có hệ thống điều khiển, bảo vệ đã quá cũ và lạc hậu, nếu muốn đảm bảo tính ổn định, đồng bộ hóa từ các thiết bị thì cần phải xây dựng hệ thống điều khiển, bảo vệ hiện đại theo tiêu chuẩn IEC61850. Tuy nhiên đây là giải pháp tốn kém, cần đầu tư nhiều vốn.
Vì vậy có thế thay thế một phần hệ thống điều khiển - bảo vệ: Để tiết kiệm vốn đầu tư thì giải pháp thay thế một phần các thiết bị điều khiển, bảo vệ sẽ khảthi hơn là đổi mới toàn bộ hệ thống tự động hóa trong nhà máy. Tuỳ theo nhu cầu đầu tư, mà thiết bị nào cần ưu tiên thay đổi trước thì thay đổi nhưng phải hỗ trợ giao thức IEC61850. Quá trình nâng cấp (trang bị) trải qua những công đoạn như sau:
- Trang bị bộ xử lý trung tâm làm nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hệ thống và thu thập dữ liệu.
86
- Bổ sung thêm máy tính điều khiển dự phòng (Backup host) với nhà máy chỉ có một máy tính điều khiển.
- Thay thế các relay bảo vệ tại nhà máy không đủ điều kiện kết nối trao đổi thông tin bằng các relay thế hệ mới có hỗ trợ IEC61850.
- Thiết kế phần mềm giao diện, thực hiện điều khiển thiết bị, thu thập thông tin và truy xuất các dữ liệu từ các relay bảo vệ. Các phần mềm này phải tính đến khả năng như truy suất thông số, dữ liệu trong quá khứ, giám sát hệ thống điện tự dùng, mạng thông tin,… là cần thiết.
- Sử dụng các bộ chuyển đổi giao thức để các thiết bị hoạt động theo các giao thức khác nhau có thể giao tiếp được với nhau (theo IEC61850).
- Thay đổi cấu trúc mạng trao đổi thông tin của nhà máy thành cấu trúc dự phòng với mạng LAN kép hay mạng vòng nhằm hoạt động vớiđộ tin cậy và hiệu suất cao. - Kết nối với hệ thống SCADA của trung tâm điều độ hệ thống điện và xây dựng
mạng truyền thông với các nhà máy lân cận.
3.7.1.3 Các bước thực hiện xây dựng nhà máy theo tiêu chuẩn IEC61850.
Những yêu cầu cho việc thiết kế hệ thống nhà máy dựa trên ba yêu cầu chính như: yêu cầu về các chức năng cần thiết cho nhà máy, yêu cầu các đặc tính kỹ thuật và yêu cầu vềứng dụng bắt buộc.
- Các chức năng được thể hiện chủ yếu ở sơ đồ một sợi của nhà máy với các chức năng như bảo vệ, điều khiển, giám sát.
- Các đặc tính kỹ thuật không những đáp ứng yêu cầu về thời gian mà còn đòi hỏi độ tin cậy của hệ thống.
- Các ứng dụng bắt buộc như giao tiếp cần thiết kế cho việc điều khiển từ xa hoặc bảo trì hệ thống.
Các bước thiết kế nhà máy: Quá trình thiết kế được bắt đầu với việc xác định rõ các
chức năng, 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 các nhóm LN trong IED thực sự có thích hợp và đảm bảo yêu cầu không. Cuối cùng là thực hiện kết nối IED này với các cấu trúc truyền
87
thông đã thực hiện thiết kế. Quá trình thực hiện thiết kế một hệ thống tự động hóa nhà máy có thể thực hiện theo lưu đồ như sau:
Hình 3.41: Các bước thiết kế hệ thống điều khiển – giám sát nhà máy thủy điện dựa trên tiêu chuẩn IEC61850
3.8 Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển - giám sát nhà máy thủy điện dựa trên tiêu
chuẩn IEC61850
Việc sử dụng phần mềm thực hiện ngôn ngữ SCL để cấu hình là chìa khóa cho việc thiết kế nhà máy thủy điện theo tiêu chuẩn IEC61850, giúp chúng ta có thể xây dựng được các cấu hình thiết bị khác nhau trong nhà máy, mô hình hóa các thiết bị, dữ liệu hay cấu hình, hiệu chỉnh các thành phần. Ngoài ra, SCL Manager còn hổ trợ các cơ sở dữ liệu của IED từ những nhà cung cấp khác nhau, qua đó giúp người dùng có thể tạo ra các file ICD cho các IED với đầy đủ các thuộc tính và cơ sở dữ liệu. Việc thực hiện các vấn đề này không quá phức tạp và không nhất thiết chúng ta phải là các chuyên gia về IEC61850, hiện nay có một số phần mềm hỗ trợ SCL như sau:
- ASE Visual SCL (VSCL): là phần mềm được phát triển bởi Applied Systems
Engineering Inc, là một công ty kỹ thuật có trụ sở tại Califonia của Mỹ.
- H&S Substation Configuration Tool (SCT): là phần mềm được phát triển bởi
công ty H&S Tecnologic, trụ sở chính tại Dortmund của Đức.
- Kalkitech SCL Manager (SCLM): là phần mềm được phát triển bởi công ty Kalki
88
chuyên gia trong lĩnh vực IEC61850, đã từng cộng tác làm việc với các chuyên gia