CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM
5.1.3 Giới thiệu một số hệ thống điều khiển SCADA, EMS hiện hữu
1.Hệ thống điều khiển trạm: LSA-SIEMENS
Trạm 220kV Nam Định, Tràng Bạch, Vật Cách, Việt Trì…: Lắp đặt những năm 98-99. Hiện hệ thống điều khiển này vẫn là những sản phẩm tiên tiến nhất của hãng Siemens.
2.Hệ thống SCADA, EMS A0: Ranger ( Bailey-ABB)
Hệ thống được lắp đặt vào cuối năm 99, là hệ thống hiện đại nhất của nhà sản xuất Bailey-USA thuộc tập đoàn hàng đầu ABB. Hiện hệ thống này đang được khai thác, lấy nguồn dữ liệu từ các hệ thống SCADA trung tâm thuộc điều độ 3 miền Bắc, Trung, Nam. Trên hệ thống này, SCADA đã được khai thác hiệu quả, EMS chưa được khai thác hết tính năng vì phụ thuộc vào kết cấu hệ thống thiết bị: Máy phát, máy cắt, thông số lưới điện…. chưa đáp ứng hoàn toàn theo chức năng này.
3.Thiết kế các hệ thống điều khiển
Quá trình cải tiến không ngừng của công nghệ sản xuất và cấu trúc sản phẩm, đặc biệt liên tục ra đời các thế hệ rơ le số, thiết bị điều khiển tự động phần mềm ứng dụng, và công nghệ thông tin phát triển với tốc độ
nhanh, luôn đặt cho người thết kế và sử dụng cần có kiến thức và dự đoán chính xác mức độ phát triển trong tương lai.
Các yêu cầu được coi là nguyên tắc bất biến của thiết bị và hệ thống điều khiển trong HTĐ: - Tính tin cậy - Tính chọn lọc - Tính kinh tế - Tính tác động nhanh - Độ nhậy
Quan điểm xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển và bảo vệ HTĐ dựa trên hệ thống thông tin ( Máy tính hóa theo hướng quản lý và điều khiển phân tán), hướng tới các mục tiêu sau:
- Cải thiện chức năng điều khiển tự động: Được hiểu như tăng khả năng an toàn trong thao tác vận hành, giảm thiểu các thời gian khắc phục sự cố và phục hồi như xây dựng một trình tự thao tác hợp lý, hướng dẫn chuyên gia và giám sát cho nhân viên vận hành phản ứng đúng và an toàn trong các chế độ này. - Cải thiện tính năng trong quản lý, giám sát: Mở rộng phạm vi quản lý, giám sát.
+ Đưa sự giám sát theo dõi từ nhiều cấp xuống các thiết bị, đến từng máy biến áp, lộ phụ tải trung áp
+ Khả năng giám sát tại chỗ hoặc từ xa.(Từ xa được hiểu như từ các cấp điều độ cao hơn). Tự động trong theo dõi, giám sát lập kế hoạch sửa chữa bảo dưỡng định kỳ.
+ Nhiều đối tượng có thể khai thác nguồn dũ liệu để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau thông qua việc mở rộng thông tin, ứng dụng các thông tin văn phòng. Ví dụ: Đối tượng ở chế độ Online trên mạng Internet, và các trang Web….
+ Một mục tiêu rất quan trọng nữa là tính kinh tế thể hiện trong việc giảm giá thành tổng thể cho một HT được hiểu bao gồm cả giá thành thi công lắp đặt, chuyển giao hướng dẫn sử dụng và bảo dưỡng thay thế định kỳ. Ví dụ: Khả năng linh động lắp đặt có thể hiểu như việc lắp đặt các modul hay các trạm di động, nối ghép và thí nghiệm đưa vào làm việc hệ thống điều khiển và bảo vệ (qua các chỉ tiêu thời gian lắp đặt tính bằng ngày, bằng giờ), sẵn có các thiết bị thay thế dự phòng tương thích…… Đặc biệt việc tiến hành thí nghiệm và cài đặt thông số bảo vệ trước khi đưa vào làm việc có thể thực hiện từ xa qua hệ thống thông tin phổ thông.
Mô hình hệ thống thiết bị trạm đảm bảo những yêu cầu sau:
- Mô hình thiết kế điều khiển trạm phải cơ động gọn nhẹ trong cấu trúc,
thể hiện trong:
+ Kích thước của HTĐK trạm nhỏ gọn về không gian, dễ sửa chữa, giảm thiểu việc đấu dây, cấu hình gọn nhẹ, mạch lạc, thuận tiện cho việc giám sát bảo dưỡng định kỳ.
Hình 5.1: Mô hình hệ thống điều khiển trạm nhỏ bằng máy tính
+Thuận lợi cho việc mở rộng trong tương lai, tăng thích nghi ghép nối với hệ thống cũ và mới.
- Máy tính hóa trong điều khiển trạm nhỏ
Tại các trạm nhỏ, cho phép tính trì hoãn điều khiển từ xa và thời gian phục hồi sự cố do mất điều khiển không đòi hỏi cao như các trạm phân phối
lớn (220kV), chỉ thiết lập khả năng điều khiển sẽ tập trung trên một màn điều khiển hiển thị của máy tính trung tâm. Do vậy không yêu cầu lắp đặt các panel điều khiển song song dùng khóa chế độ nóng, cắt truyền thống trong phòng điều khiển(Indoor Panel).
Có thể sử dụng các bộ nhớ của máy tính thương mại (PC), hoặc công nghiệp (IPC) lập thành cơ sở dũ liệu ở mức trạm….. với giá thành rẻ, dễ thay thế.
Mỗi thiết bị thành phần đều có khả năng giao tiếp máy tính ( xách tay) qua phần mềm riêng.
- Đặc biệt, mục tiêu chung của hướng thiết kế là: Mở rộng và tăng khả năng thông tin xuống cấp độ trạm, lộ phụ tải. Tăng tính liên kết của điều khiển trạm trong hệ thống điện lớn.
Tính khả thi của thiết kế trên là hoàn toàn thực tế và sẽ phổ biến trong một tương lai gần. Chính vì nó dựa trên các cơ sở hiện thực: Môi trường và hạ tầng của công nghệ thông tin nói chung và thông tin điện lực nói riêng, mà thiết bị điều khiển tự động công nghiệp, công nghệ máy tính hiện đại phát triển nhanh chóng.
- Thành phần thiết bị
+ PC(IPC): Sử dụng các PC để bàn thông dụng(có thể sử dụng PC công nghiệp nếu có yêu cầu cao hơn)
+ PLC: Sử dụng PLC của các hãng quen dùng: SIMACTIC-S7 (Siemens), GE-Fanuc (General Electric-USA)….., cũng các modul thông tin nếu có yêu cầu một hệ điều khiển từ xa qua thông tin tốc độ cao.
+ Bộ xử lý tín hiệu Analog chung và Rơ le số đa chức năng (nhiều Modul chức năng), rơle số (với chức năng bảo vệ lộ đường dây trung áp) của tủ hợp bộ đường dây phụ tải.
+ Mạng LAN hỗ trợ TCP/IP cho mạng nội bộ tốc độ cao (10MBs), cáp nối EIA-232, 485, cáp quang: các mạng thông tin công nghiệp phổ thông, các giao thức chuẩn phổ biến như đã giới thiệu ở trên.
+ Hệ thống nguồn tự dùng AC(UPS), DC.
Hình 5.2:Mô hình tủ điều khiển và đấu nối trong phòng điều khiển trạm nhỏ
+ Hệ thống các thiết bị thứ cấp có điều khiển: Biển đổi (CT,VT…), chấp hành (Rơ le đầu ra, máy cắt, dao cách ly, quạt mát MBA, OLTC, thiết bị biến đổi nhiệt độ, độ ẩm, áp suất ….., tủ hợp bộ trung áp phân phối…. cùng với khóa điều khiển bằng tay tại chỗ), hệ thống đo lường từ xa với độ chính xác cao, bảo toàn và bảo mật trong kênh thông tin riêng.
- Mô tả vai trò của mỗi thiết bị trong sơ đồ trên: DAUs: Data Acquistion Units
Tạo một nguồn cung cấp thông số tương tự liên tục cho nhiều chức năng đến nhiều modul rơ le bảo vệ, cung cấp cho thông tin đo lường trên màn hình hoặc từ xa. Làm việc với các đầu vào là Digital Input và Analog Input. Thiết bị này bao luôn cả chức năng cuẩ hệ Transmitter số.
Được hỗ trợ phần cứng: Có các CPU thực hiện nhiều xử lý và truyền dữ liệu tốc độ cao.
Modul Rơle số
Thực hiện các chức năng bảo vệ truyền thống, thực hiện cài đặt qua máy tính trung tâm, lưu lại dữ liệu sự cố và quá trình truyền cho máy tính, liên lạc trực tiếp với DAU nhận các thông tin giá trị tức thời để xử lý nhanh theo chức năng bảo vệ …..
Hợp bộ rơ le số có Main CPU quản lý trao đổi giá trị tức thời với DAU, quản lý cấu hình, và thực hiện giao tiếp với thiết bị ngoại vi khác như PC, máy in, lập trình cầm tay….., đồng thời có màn hình và phím chức năng để có thể thực hiện cài đặt bằng tay và theo dõi hoạt động của rơ le. Trên mỗi modul làm việc theo chức năng bảo vệ riêng có hệ thống đèn LED tùy đặt để hiển thị tình trạng và tác động theo chức năng trên. Ngoài ra còn có các modul I/O: Digital Input, Relay Output hỗ trợ một số chức năng logic của rơ le và cách ly với thiết bị khác về phương tiện điện áp làm việc.
Một số Rơ le thế hệ mới như (RET 512 V2xx-ABB) là ghép nối của DAU + Modul bảo vệ + Modul thông tin (cáp quang + RS232, 485).
Hệ thống rơ le số lộ phân phối trung áp cũng được thiết kế cho chức năng điều khiển đóng cắt như (7SJ531-Siemens), thích hợp cho kết nối sơ đồ BUS (RS485) thuận tiện trong việc mở rộng thêm lộ đường dây và chỉ yêu cầu truyền thông số ở tốc độ thấp hơn.
Các PLC với khả năng trung bình có thể đảm nhận chức năng thực hiện giám sát điều khiển liên động, logic trong toàn trạm, nhận và thực hiện các lệnh điều khiển từ xa qua đường thông tin hoặc từ màn hình máy tính đi đóng cắt hoặc khởi động các thiết bị sơ cấp. Ngoài ra PLC nhận tín hiệu Digital Input từ trạng thái của thiết bị và Analog Input, xử lý ở các cấp thấp hơn như nhiệt độ: dầu, môi trường, áp suất……
Ngoài ra có thể chọn PLC – Master, với CPU có khả năng và tốc độ xử lý nhanh hơn, cùng các modul thông tin, và bộ nhớ phục vụ cho mục đích thông tin tốc độ cao trong điều khiển và truyền giá trị đo lường tức thời. Khi đó vai trò của nó như là một RTU, bộ xử lý trung tâm và điều khiển ở mức trạm.
PC(IPC)
Có thể sử dụng các máy tính văn phòng để điều khiển trạm. Trên PC đơn bộ xử lý, thực hiện đa chương trình bằng cách phân chia thời gian thực hiện giữa các luồng hoạt động. Có những lớp chương trình phục vụ nhiều mục đích, chạy trên hệ điều hành đa nhiệm như Microsoft Window NT/ 95/ Unix….Màn hình hiển thị điều khiển dưới dạng cửa sổ có các Menu tổ chức ở dạng Pull-down Menu.
Hệ thống phần mềm phục vụ các đối tượng sau:
- Đối tượng DAU: Thu thập thông tin giá trị đo lường từ DAU. - Đối tượng thu thập dữ liệu
- Đối tượng lập báo cáo hiển thị(Hiển thị và in ấn các báo cáo)
- Đối tượng truyền tin lên điều độ cấp trên theo kênh thông tin (Modem)
- Đối tượng quản lý các cơ sở số liệu quá trình vận hành, sự kiện, sự cố…
trang Busbar, Trend, Loging….)
- Đối tượng lập báo cáo, kế hoạch bảo trì … tự động
- Ngoài ra còn một số chương trình phát triển ứng dụng khác. Hệ thống thiết bị mạng thông tin LAN,WAN
Nguồn tự dùng DC, AC(UPS) cho hệ thống máy tính và tự dùng trạm. Các thiết bị thi hành thứ cấp: Mỗi thiết bị có thể đóng cắt qua Relay Output nhận lệnh từ PLC và rơ le bảo vệ. Ngoài ra theo cấu tạo, mỗi thiết bị đều có thể thực hiện thao tác ngay tại chỗ trên thiết bị phục vụ cho đóng cắt thử nghiệm và khẩn cấp.
Các thiết bị tùy chọn khác như: Máy tính xách tay, Modem, hệ thống đồng bộ thời gian thực GPS cùng cổng đồng bộ thời gian IRGIB – Time, hệ thống đèn và nút điều khiển giống với panel môi trường điều khiển truyền thông( thiết bị này nối với Digital I/Os của PLC nếu yêu cầu )
Hệ thống công tơ đo lường có kênh thông tin riêng( hoặc thông qua PLC nhằm có tính bảo toàn, liên tục và tin cậy trong đo đếm kinh doanh)
- Đặc điểm nổi bật của thiết kế
+ Giảm số thiết bị: Giảm modul Analog khi nhiều chức năng cùng khai thác BUS số liệu (tức thời) làm số mạch CT, VT… giảm.
+ Đảm bảo tính tác động nhanh khi có sự cố, những chức năng này do Modules rơ le bảo vệ thực hiện.
+ Thực hiện các sơ đồ logic tự động điều khiển đóng cắt bằng tay và từ xa thông qua PLC, những chức năng này với một trạm điện nhỏ không đòi hỏi tính tức thời cao như điều khiển từ xa của các trạm điện và nhà máy điện lớn trong ứng dụng đóng cắt phục hồi hệ thống sau sự cố và điều chỉnh công suất tổ máy phát (EMS)…
+ Mức độ quan trọng (vai trò phân phối của trạm nhỏ trong sơ đồ HTĐ lớn), tính kinh tế và độ tin cậy yêu cầu nằm trong phạm vi chấp nhận
được. Vì vậy không cần thiết phải có những hệ thống điều khiển dự phòng (tự động chuyển song song khi một hệ có sự cố với trường hợp hư hỏng bộ điều khiển PC, PLC, hoặc hỏng mạng thông tin), vì nó không ảnh hưởng đến tính tác động nhanh của bảo vệ.
+ Thể hiện đầy đủ chức năng của một hệ điều khiển và quản lý phân tán, điểm nút chuyên gia trong hệ thống lớn.
+ Đảm bảo được tính kinh tế trong: Giá thành lắp đặt, giảm thiểu được khối lượng đấu dây, kích thước và thời gian thi công của công trình. Giảm tiêu thụ điện năng tự dùng, không gian lắp đặt. Thuận tiện trong quản lý giám sát và vận hành.
Đầy đủ các thiết bị dự phòng, thay thế và khả năng mở rộng trong tương lai. + So với một số mô hình thiết kế SCADA trạm nhỏ khác, mục đích chủ yếu chỉ tạo và khai thác cơ sở dữ liệu để xây dựng một dạng hoạt động của HT SCADA trạm, thực hiện trên cơ sở các Transmitters số thông minh kết hợp với máy tính, Trong thiết kế này với sự có mặt của PLC sẽ hỗ trợ tối đa thực thi điều khiển logic trạm tại chỗ và từ xa theo mạng thông tin tốc độ cao, nâng cao hoạt động, tăng tính liên kết của trạm trong sơ đồ điều khiển một hệ thống điện lớn.
Hình 5.3: Hệ thống điều khiển LSA- Siemens Trạm 220kV- Nam Định
1. Tổng quát
Hệ thống điều khiển và bảo vệ trạm 220kV Nam Định được gọi là SINAUTLSA, với hệ thống này ta có thể thực hiện được tất cả các chức năng của 1 trạm phân phối điện năng như:
- Điều khiển từ xa – Telecontrol - Điều khiển tại trạm
- Điều khiển tự động
- Giám sát các thiết bị tại trạm - Đo lường các thông số - Bảo vệ các thiết bị
Như vậy tất cả các chức năng của một trạm thông thường đã được tích hợp vào trong một hệ thống duy nhất, điều này khiến cho công tác quản lý cũng như vận hành trạm trở nên dễ dàng hơn, nhanh chóng hơn và chính xác hơn.
2. Cấu hình của hệ thống điều khiển và bảo vệ trạm:
Để có thể tích hợp các chức năng vào một hệ thống duy nhất ta cần phải có những cấu hình phù hợp cho từng trường hợp cụ thể, những thiết bị phần cứng ( Hardware) và các phần mềm tương ứng. Ta xét một sơ đồ khối của hệ thống điều khiển trạm như sau:
Hình 5.4: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển trạm
Các thiết bị phần cứng:
- Master Unit: Là trung tâm xử lý tất cả các tín hiệu số, tín hiệu tương tự - I/O Unit: Là thiết bị thu nhận và chuyển tất cả các tín hiệu giữa
Master Unit và các thiết bị chấp hành.
- Các rơ le bảo vệ số: Làm nhiệm vụ bảo vệ các thiết bị trong trạm phân phối đồng thời cũng truyền tín hiệu về cho các I/O Unit, thực hiện các lệnh điều khiển.
- Các thiết bị chấp hành như: Máy cắt, dao cách ly, máy biến áp, vv… - Các thiết bị ngoại vi: Máy tính, máy in được kết nối với Master Unit.
Đây là các thiết bị để cho người vận hành giao diện với hệ thống Sinaut LSA qua đó đưa ra các mệnh lệnh điều khiển thích hợp.
Các phần mềm:
LSACONTROL: Làm nhiệm vụ thực hiện các mệnh lệnh điều khiển của người vận hành cũng như thực hiện các lệnh điều khiển tự động đã được lập trình trước và giám sát tình trạng các thiết bị trong hệ thống.
LSATOOLS: Làm nhiệm vụ thiết lập các thông số của hệ thống LSADIAG: Kiểm tra sự hoạt động của hệ thống
LSATEST: Làm nhiệm vụ kiểm tra phần thông tin giữa các thiết bị trong hệ thống và giữa hệ thống trạm với trung tâm điều độ ( Telecontrol)