Tài liệu Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu scada

Chưương 1: Giới thiệu về SCADA 1.1 Tổng quan chung về SCADA: a. Định nghĩa: SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Điều khiển ở đây là điều khiển một cách giám sát. SCADA khác với các hệ thống điều khiển DCS ở chỗ, các hệ DCS là một hệ thống điều khiển phân tán trên mạng diện rộng và cơ chế điều khiển được giao cho cả các phần tử cấp dưới, trong khi hệ thống SCADA thiên về giám sát và thu thập dữ liệu trên mạng tập trung, mọi thao tác lên hệ đều dưới sự điều khiển của trung tâm. b. Chức năng và vai trò: Mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức theo nhiều cấp quản lý. Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển giám sát riêng lên từng đối tượng cụ thể của hệ thống. Chính vì thế việc SCADA cho một hệ thống sản xuất công nghiệp cũng được phân ra từng cấp SCADA cụ thể, tuỳ vào quy mô của từng cấp mà có những yêu cầu cụ thể khác nhau song nói chung môi cấp SCADA là phải thực hiện những dịch vụ sau:  Thu thập số liệu từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất và tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu về lịch sử sản xuất, về sự kiện thao tác, về báo động…).  Điều khiển và giám sát hệ sản xuất trên cở sở các dữ liệu đã thu thập được.  Thực hiện công tác truyền thông số liệu trong và ra ngoài hệ (đọc/viết số liệu PLC/RTU, trả lời các bản tin yêu cầu từ cấp trên về số liệu, về thao tác hệ). Nhìn chung SCADA là mộ sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm theo mộ phương thức truyền thông nào đó để tự động hoá việc quản lý giám sát, điều khiển cho một đối tượng công nghiệp. Và ta nhận thấy rằng xu thế tự động hoá là một xu thế không thể tránh khỏi do vậy việc áp dụng bài toán SCADA là một việc làm tất yếu nếu chúng ta không muốn tụt hậu trong sản xuất. Vai trò của nó là rất rõ dàng, SCADA giúp ta thu thập rất chính xác về hệ thống từ đó có thể đưa ra các quyết định đúng đắn về hệ, đồng thời ta cũng dễ dàng trong công tác điều khiển và ra quyết định. Việc làm này sẽ giảm đáng kể việc chi phí về vấn đề nhân lực, về vận hành điều này góp phần đáng kể trong việc giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh. 1.2 Các ứng dụng vào thực tế và so sánh lợi thế với hệ cũ: Các hệ thống SCADA được dùng cho hệ thống điện, hệ thống xe lửa, nhà máy nước sạch, trạm xử lý nước sạch, hàng hải… Hệ thống SCADA của ngành điện Việt nam hiện nay được chia thành ba cấp: cấp quốc gia, cấp Bắc Trung Nam và cấp tỉnh. Khi hệ thống trở thành phức tạp hơn, có thể sẽ có cấp huyện. Trung tâm điều độ quốc gia theo dõi và điều khiển các nhà máy phát điện, các đường dây/trạm 500kV và các đường dây/trạm 220kV lớn. Ba trung tâm điều độ miền theo dõi và điều khiển các 1 đường dây/trạm 220kV và các đường dây/trạm 110kV lớn trong khu vực mình. Các trung tâm điều độ cấp tỉnh theo dõi và điều khiển hệ thống phân phối điện trong khu vực của mình. Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày càng được thay thế bởi PLC, trong hệ SCADA cho hệ thống điều độ điện cấp quốc gia hay miền cũng đang ngày càng đi theo xu thế này. Việc xây dựng các hệ thống SCADA dùng PLC sẽ đem lại các lợi thế sau:  Kinh phí sẽ thấp hơn nhiều.  Các hệ điều khiển cũ có nhiều tủ, bảng, khoá, nút ấn… Do đó chúng rất cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích.Ngoài ra còn rất khó khăn trong việc lắp đặt, kiểm định, vận hành, giám sát, bảo dưỡng. Tuy nhiên công việc này sẽ rất đơn giản nếu chúng ta sử dụng hệ SCADA dùng PLC.  Các kỹ sư Việt Nam dễ tiếp cậm với công nghệ PLC hơn và do đó khả năng thiết kế, nâng cấp và làm chủ công nghệ dễ dàng hơn.  Mua thiết bị dễ dàng hơn.  Dễ bảo dưỡng và thay thế các thiết bị.  Đặc biệt với hệ SCADA thì việc thu thập, lưu trữ, báo cáo, thống kê, phân tích hệ thống rất dễ dàng.  Các hệ thống SCADA sẽ trở nên đơn giản hơn và phổ biến hơn trong tương lai bởi lẽ các thiết bị trong lĩnh vực tự động hoá đang ngay càng phát triển mạnh. Hình 1: 1.3 Kết cấu của một hệ SCADA Nói một cách đơn giản, hệ thống SCADA có ba phần: Các PC ở phòng điều khiển trung tâm, các RTU( remote terminal unit) hay PLC(programable logic 2 controller) ở các trạm xa và thiết bị thông tin để kết nối hai phần trên với nhau. Kết cấu phần mềm của phần PC ở phòng điều khiển trung tâm được thể hiện trong bảng Hình 1. Chúng ta sẽ thấy các chức năng của các PC của hệ thống SCADA tương tự như phần HMI của hệ thống DCS: Hiển thị, điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm, thu thập dữ liệu, quản l ý các số liệu, quản lý báo động, báo cáo. Các hệ thống SCADA cũ chạy trên môi trường DOS, VMS hay UNIX. Các hệ thống mới hơn chạy trên nền của Windows, Linux. Thiết kế giao diện Thiết kế giao diện Thư viện sẵn có Môi trường phát triển SCADA Lập chương Thiết kế vào ra trình HMI Đồ thị Hiển thị cảnh báo Kho chứa các Active X ActiveX điều khiển ứng dụng thứ 3 SCADA Client TCP/IP Chuyển đổi thành các dạng CSDL có kết nối dạng ODBC Quản lý vào ra I/O server/OPC Quản lý và xử lý dữ liệu theo thời gian thực Dữ liệu chương trình Dữ liệu thời gian thực 3 Dữ liệu báo động Dữ liệu quá trình Dữ liệu lưu trữ SQL SCADA Server PLC RTU 4 Hình 2: Kiến trúc phần mềm Client/Server của hệ SCADA a. SCADA Server SCADA Sever chính là máy Server của hệ thống SCADA ở trung tâm được nối với các RTU hay PLC. Trong cấu trúc phần mềm máy chủ Server đó có chức năng thu thập, chia sẻ dữ liệu với các máy Client thông qua mang Ethernet và gửi mệnh lệnh từ các Client trực tiếp đến các bộ điều khiển.Vì vậy trên các máy Server thường được dùng để cài đặt các phần mềm phát triển (development), thiết lập cấu hình truyền thông để kết nối với thiết bị hiện trường. b. SCADA Client SCADA Client gồm các máy tính công nghiệp được nối với máy Server bằng mạng Ethernet. Các máy tính này sẽ được cài các phần mềm giao diện người máy (Human Machine Interface) kết nối với dữ liệu của máy Server để hiển thị hoặc điều khiển. Tứ là các máy Client nay sẽ thu thập các trạng thái và điều khiển các bộ controller gián tiếp thông qua máy Server. Mối quan hệ giữa các Client và Server do các kỹ sư lập trình thiết lập, tuỳ thuộc vào phần mềm công nghiệp được sử dụng trong hệ SCADA. c. PLC- RTU 5 RTU được định nghĩa là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý, có khả năng xử lý các đầu vào ra theo thời gian thực, thu thập số liệu và báo động, báo cáo về SCADA Server, và thi hành các lệnh của SCADA Server. Theo truyền thống, hệ thống SCADA thường sử dụng các thiết bị RTU. Nhưng ngày nay, với sự phát triển của PLC, các nhà tích hợp hệ thống thích dùng PLC thay vì RTU cho việc thiết kế cho nhiều hệ thống SCADA. Các RTU và các PLC được nối với các I/O tại các trạm. Các đầu vào, qua RTU hay PLC cho các thiết bị SCADA ở phòng điều khiển trung tâm biết trạng thái của hệ thống tại hiện trường.Thiết bị SCADA có thể điều khiển bằng cách thao tác đầu ra, cũng như qua các RTU hayPLC. Như vậy, RTU và PLC là thiết bị được trực tiếp nối với I/O và trung tâm điều khiển tín hiệu. Client Client Lưu trữ Server Dữ liệu Server Controller Controller Dữ liệu Server Controller Controller Ethernet 6 Hình 3: Kiến trúc phần cứng Client/Server của hệ SCADA 1.4Phần cứng và phần mềm của hệ SCADA: a. Phần cứng Tuỳ thuộc vào từng hãng chế tạo, các hệ SCADA sẽ mang một số đặc điểm khác nhau, tuy nhiên nói chung phần cứng của hệ SCADA sẽ gồm những phần sau:  Máy tính PC với các dịch vụ truyền thông chuẩn và các chương trình giao diện đồ hoạ được thiết kế sẵn.  Các bộ điều khiển logic có khả năng lập trình PLC (Programmable Logic Controller).  Các transmitter/RTU số thông minh.  Card mạng và hệ thống cáp nối đi theo phục vụ cho quá trình thu thật và điều khiển. b. Phần mềm Phần mềm của SCADA là một chương trình thực hiện các nhiệm vụ cụ thể của một hệ SCADA. Phần mềm phải có khả năng thu thập dữ liệu theo thời gian thực và có khả năng điều khiển đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Ngoài ra, phần mềm SCADA phải có khả năng kết nối mạng, chẳng hạn như Internet hay Ethernet, để có thể chuuyển các báo cáo dưới nhiều hình thức khác nhau, như dạng bảng thống kê, dạng biểu đồ hay dạng đồ thị. 1.5Truyền tin trong hệ SCADA a. Các dạng truyền tin trong hệ SCADA Ngoài việc sử dụng các máy tính công nghiệp, các Server, thiết bị mạng… ở phòng theo dõi trung tâm. Một bộ phận không thể thiếu được trong hệ thống SCADA là hệ thống truyền tin. Nó liên quan đến tính ổn định và sự chính xác của hệ thống. Vì vậy, một hệ truyền tin được chổntng một hệ SCADA phải thoả mãn các tiêu chuẩn như: giải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bô hay dị bộ, khoảng cách địa lý… Hệ thống truyền tin được chọn phải tương thích với thiết bị trường và máy chủ Server. Một số thiết bị có thể sử dụng được để truyền dữ liệu trong hệ 7 SCADA như sau: Modem RDT (Radio Data Technology) của Anh quốc có các loại truyền sóng Radio, vô tuyến; các thiết bị thu phát sóng của Motorola, các bộ RTU, GPS. Tuỳ theo mô hình, phạm vi của từng hệ SCADA mà ta áp dụng từng loại thiết bị trên sẽ phát huy hết tính năng tác dụng của nó. Hệ thống SCADA cấp quốc gia và miền dùng các RTU được thiết kế đặc biệt cho ngành điện (theo tiêu chuẩn IEEE và IEC, có khả năng chịu được nhiễu điện từ…). Các thiết bị RTU thông minh với các trung tâm điều độ qua thủ tục truyền tin IEC-870-5-101. Ngoài ra, với nhiều hệ SCADA dùng PLC dùng thủ tục truyền tin là Profibus. Bảng dưới đây tổng kết lại các dạng truyền tin thường dùng trong hệ SCADA: Truyền tin Kiểu truyền tin Tiêu chuẩn thường dùng Máy chủ với IDE hiện Không đồng bộ kiểu RS-485 trường multidrop PLC thu thập với IDE Không đồng bộ kiểu RS-485 hiện trường multidrop Máy chủ với máy dự Đồng bộ kiểu multidrop Ethernet phòngDMS, EMS, DTS Máy chủ với SCADA Không đồng bộ kiểu RS-232 + tải ba, modem cấp trên singledrop Hay Ratio 450Hz SCADA với các ứng Bản tin qua bộ nhớ DDE (Dynamic Data dụng khác Exchange) SCADA với các thư Đọc/viết thư viện DLL(Dynamic Link viện Library) SCADA với các hệ Quản lý các cửa sổ Windows điều hành SCADA với máy in Song song, nối tiếp RS- 232, ASII b. Truyền tin số c. Truyền tin hiện trường 1.6 Những yêu cầu chung về một hệ SCADA a. Những yêu cầu chung về phần cứng:  Máy tính PC dùng để thu thập và điều khiển phải mang tính phổ thông và có khả năng giao tiếp tốt với các hãng thiết bị phần cứng khác nhau. 8  Có hệ điều hành đa nhiệm có khả năng mở rộng và giao tiếp dễ dàng với các phần mềm và phần cứng khác. b. Những yêu cầu chung về phần mềm:  Có khả năng tương thích với các giao thức (Protocol) thông dụng.  Dễ dàng thiết kế và nâng cấp khi cần thiết. c. Về dịch vụ SCADA:  Có khả năng thu thập, lưu trữ, sử dụng số liệu được ít nhất trong một năm.  Cung cấp sự giao tiếp và giao diện dễ dàng cho người sử dụng và vận hành. Dể dàng cho ngươì dùng hiển thị sơ đồ và đồ thị trong giám sát cũng như in báo cáo.  Giúp thao tác điều khiển từ xa dễ dàng, tuy nhiên vẫn phải bảo đảm thao tác điều khiển bằng tay. d. Yêu cầu về giá thành và chi phí lắp đặt phải rẻ, hợp lý. Các trạm điện 220kV trong lưới điện Việt Nam năm 2005 Các trạm 220kV khu vực miền Bắc Yên Bái Thái Nguyên Bắc Giang Quảng Ninh Sóc Sơn Việt Trì Tràng Bạch Phả Lại (phía 110kV) Vật Cách Hải Phòng Phố Nối Mai Động Hà Đông Chèm Xuân Mai Thanh Hoá Ninh Bình Nam Định Thái Bình Chế độ cực đại P (MW) Q (MVAr) Chế độ cực tiểu P (MW) Q (MVAr) 50,7 50,3 55,4 53,4 174,2 102,7 21,2 255,8 -2,2 -18,2 -2,3 96,5 57,4 72,0 -100,4 148,0 30,8 33,5 19,1 1,2 123,2 47,6 10,0 87,8 1,8 -8,0 -47,4 63,6 71,0 0,4 -58,9 29,1 71,7 110,2 101,1 185,6 414,0 410,4 87,6 164,1 147,6 99,0 106,0 8,6 97,4 72,6 73,3 262,4 230,0 28,0 43,7 -24,4 44,7 64,0 36,3 53,3 69,8 107,0 96,8 79,2 30,7 32,9 44,0 41,0 20,9 -21,9 44,1 81,0 -39,0 32,4 40,4 34,3 33,3 17,2 77,5 -50,3 9 Nghi Sơn Vinh Hà Tĩnh Đồng Hới Huế Hoà Khánh Đà Nẵng Dốc Sỏi Llêiku Qui Nhơn Krongbuk Nha Trang Đa Nhim Đại Ninh Các trạm 220kV khu vực miền Nam Bảo Lộc Hàm Thuận Long Bình Long Thành Trị An Sài Gòn Bình Hoà Tân Định Hóc Môn Cát Lái Tao Đàn Phú Lâm Nam Sài Gòn Nhà Bè Cai Lậy Mỹ Tho Phú Mỹ Bà Rỵa Vũng Tàu 77,6 89,2 111,0 60,2 98,4 74,9 152,5 101,0 73,2 98,0 59,2 97,4 89,4 22,6 29,6 8,8 18,2 37,0 88,7 -9,8 104,4 98,5 47,3 52,8 39,9 38,4 56,2 3,0 Chế độ cực đại P (MW) Q (MVAr) 74,9 48,1 206,6 118,0 36,2 323,0 216,0 69,2 251,4 235,6 278,0 251,0 83,2 173,2 123,2 111,7 119,8 4,6 31,6 39,9 29,8 115,6 -52,6 9,6 355,4 157,8 8,5 183,6 173,2 105,0 15,4 4,6 219,8 57,6 21,4 244,6 -67,1 -11,1 10 12,6 48,6 15,1 25,0 45,4 53,8 66,1 38,2 29,4 70,9 28,6 49,2 39,7 6,3 -38,0 9,8 -58,5 11,6 13,3 -0,4 40,9 3,8 9,6 41,1 9,6 17,0 19,0 -13,1 Chế độ cực tiểu P (MW) Q (MVAr) 26,9 18,0 121,8 69,6 29,4 113,4 116,6 64,4 164,4 141,2 193,0 192,2 77,8 157,2 54,2 58,1 107,5 14,8 17,6 10,6 18,9 28,6 13,2 18,6 -252,3 154,4 79,9 147,8 120,6 153,6 179,4 74,6 -95,0 -94,5 29,5 147,8 -67,1 -44,6 Vĩnh Long Trà Nóc Thốt Nốt Rạch Giá Bạc Liêu Kiên Lương Châu Đốc Tà Keo 65,0 44, 0 46,6 90,0 67,1 31,8 67,6 189,5 -14,0 13,3 -43,8 -10,2 27,0 -12,2 14,0 96,5 67,0 69,1 49,0 80,8 45,4 13,2 12,9 82,4 59,6 0,9 30,8 27,6 6,9 -45,2 -30,5 -48,0 ứng dụng trong công tác điều độ hệ thống điện Việt Nam Quá trình phát triển của công nghệ điều khiển hệ thống điện: Từ những năm 1970, hệ thống máy tính đã được ứng dụng rộng rãi trong các trung tâm điều độ hệ thống điện lớn trên thế giới. Lúc đầu, hệ thống máy tính phục vụ việc quản lý kỹ thuật, quản lý các dữ liệu, các thiết bị trên hệ thống điện và phục vụ việc tính toán các bài toán rời rạc, đơn lẻ. Dần dần các phần mềm chuyên dụng phục vụ quản lý, điều hành hệ thống điện được ra đời. Vào đầu những năm 1980,, hầu hết các trung tâm điều khiển của các hệ thống điện lớn trên thế giới đã được trang bị “Hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điều khiển” gọi tắt là SCADA. Chức năng cơ bản của hệ thống SCADA là thu nhận tự động, xử lý các dữ liệu, hiển thị trên màn hình bảng sơ đồ các tín hiệu thời gian thực của các phần tử trên hệ thống điện như: tần số, điện áp các điểm nút, thông số vận hành (công suất tác dụng, công suất phản kháng, dòng điện, điện áp, nhiệt độ, áp lực dầu…) của các thiết bị (máy phát điện, máy biến áp, đường dây điện…). Nó hiển thị trạng thái làm việc của tất cả các thiết bị đóng cắt, tăng giảm nấc phân áp của máy biến áp… giúp cho các kỹ sư điều hành hệ thống điện điều khiển từ xa, theo dõi, giám sát sự làm việc của toàn bộ hệ thống điện. Nguyên lý làm việc của hệ thống SCADA: 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 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 kinh 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 11 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. Từ thập kỷ 90 trở lại đây, các hệ thống tích hợp thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát được ứng dụng và phát triển rộng rãi. Chức năng cơ bản của hệ thống SCADA tích hợp là nó được trang bị thêm nhiều phần mềm ứng dụng khác hỗ trợ trong việc tự động lấy các dữ liệu thời gian thực của hệ thống, đưa vào tính toán và cho ra kết quả bằng các lệnh điều khiển trực tiếp lên một phần thiết bị của hệ thống điện hoặc đưa ra các khuyến cáo cụ thể cho các kỹ sư điều hành thực hiện nhằm đảm bảo sự làm việc của hệ thống điện được ổn định, an toàn và kinh tế nhất. Các phần mềm ứng dụng thông thường đi kèm là: - Điều khiển phát điện tự động (AGC: Automatic Generation Control). - Điều độ kinh tế (ED: Economic Dispatch). - Phân tích chế độ đột biến (CA: Contingency Analysis). - Đánh giá trạng thái (SE: State Estimation). - Tính toán trào lưu công suất (DLF: Dispatch Load Flow). - Tối ưu hoá trào lưu công suất (OPF: Optimal Power Flow). - Dự báo phụ tải (LF: Load Forecast). - Lập kế hoạch vận hành (GP: Generation Planning). Khái quát về SCADA trạm 1. SCADA trạm và các chức năng của SCADA trạm SCADA trạm là một hệ thống tự động hoá bằng máy tính và sử dụng các transmitter/sensor thông minh để giúp việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển hoạt động của trạm. Cấu trúc chủ yếu của trạm là gồm: máy tính làm nhiệm vụ thu thập, lưu trữ, hiển thị số liệu và xử lý số liệu để điều khiển trạm, để kết nối thông tin với các thiết bị đo lường và điều khiển thông minh. SCADA trạm có các chức năng cơ bản sau:  Thu thập số liệu các thanh cái của trạm bao gồm bộ các thông số(U, I, P, Q…) của các phần tử và trạng thái của các thiết bị trong trạm(chủ yếu là trạng thái máy cắt, trạng thái cầu dao, điện áp trên thanh cái… ).  Thực hiện các lệnh theo yêu cầu của người điều hành hệ thống và người trực trạm đưa ra hoặc của SCADA điều độ cấp trên. Việc điều khiển chủ yếu là đóng cắt các máy cắt và điều chỉnh tăng giảm nấc phân áp của máy biến áp. 12  Cung cấp giao tiếp người - máy với người điều hành hay người trực trạm: các control pannel, các bảng mạch mà trên đó ta dùng để biểu thị các thiết bị, thông số giờ đây ta thay thế bằng giao tiếp bởi màn hình, chuột, bàn phím. Giao diện người – máy(HMI) của SCADA trạm cho phép người dùng dễ dàng hơn trong việc giám sát, thu thập dữ liệu, điều khiển, quản lý hệ thống và vận hành trạm.  Ghi nhận, quản lý, lưu giữ lịch sử vận hành trạm, lịch sử các sự kiện như: báo động, sự cố; lưu trữ các quá trình thao tác trong hệ. Điều này sẽ rất có ích trong việc phát hiện và sử lý khi có lỗi xảy ra.  Quản lý cơ sở dữ liệu lịch sử của trạm để phục vụ trong việc in báo cáo với cấp trên, gửi số liệu lên SCADA điều độ cấp trên.  Có một cơ chế tự động tạo và in các báo các khi cần thiết.  Có khả năng truyền thông với cấp trên như: nhận lệnh từ cấp trên đưa xuống và tiến hành gửi các báo cáo theo yêu cầu của cấp trên.  Truyền tin với cấp dưới của SCADA trạm là các transmitter, sensor, cơ cấu chấp hành. 2. Các kiến trúc của SCADA trạm Hiện nay các thiết bị đo lường và điều khiển thông minh, các transmitter số hợp bộ, các RTU và các PLC đang phát triển mạnh và bắt đầu được ứng dụng ngay càng rộng dãi hơn trong hầu hết các ngành công nghiệp từ các khu chế biến thực phẩm, nơi các nhà máy xí nghiệp sản xuất mà dường như trước đây không máy khi sử dụng đến các thiết bị tự động hoá, cho đến các khu chế xuất, các khu công nghiệp. ở một số nước tiên tiến, các hệ thống SCADA sử dụng RTU hay PLC đang ngày càng được phát triển. Tuy nhiên xu hướng người ta ngày càng sử dụng PLC thay cho các RTU càng ngày càng được ưa chuộng hơn. Rất nhiều phần mềm SCADA đã ra đời với nhiều hỗ trợ hơn cho người thiết kế hệ thống, một số sản phẩm, thiết bị của nhiều hãng như Wonderware, Siemens, Nari… đã ra đời và được đưa ra thị trường. Nói chung, chúng ta có thể phân các sản phẩm này thành một số kiểu cấu trúc sau: Kiểu kiến trúc SCADA trạm Hệ điều hành Hệ thu thập số liệu Protocol truyền tin Giá cả Sử dụng PC/PLC RTU PC/PLC/Transmitter số Unix, Windows Unix, Windows Windows PLC, transmitter RTU, transmitter PC , các transmitter analog, sensor analog, sensor số, các sensor Dựa trên Protocol RS - 232 RS - 485 của PLC Cao Trung bình đến Cao cao Hiện hành Hiện hành Tương lai gần 13 a) Kiến trúc kiểu PC/PLC: sử dụng PC với PLC kết hợp với việc sử dụng hệ điều hành của Unix hay Windows. Nó sử dụng các bộ biến đổi, các transmitter analog, các sensor để thu thập số liệu. Kiểu kiến trúc này phù hợp hơn trong việc ứng dụng vào SCADA cho các trạm với quy mô nhỏ.Tuy nhiên giá thành sử dụng khá cao. b) Kiến trúc kiểu RTU: kiểu kiến trúc này dựa trên các thiết bị đầu cuối, các transmitter analog, các sensor, cảm biến. Các thiết bị này sẽ thu thập trạng thái của hệ thống và đưa về máy tính để xử lý số liệu và thông qua các bộ điều khiển đưa xuống cơ cấu chấp hành. Kiến trúc dựa trên các RTU thưòng được ứng dụng trong việc SCADA trạm với quy mô nhỏ và vừa. Ưu điểm của nó là giá cả rẻ song việc lắp đặt hệ thống và thiết kế là không đơn giản. Trong tương lai kiểu này sẽ không còn được sử dụng thông dụng nữa. c) Kiến trúc dựa trên PC/PLC/Transmitter số: Kiểu kiến trúc này với máy PC được coi như là máy chủ và các Slave là các PLC, các transmitter số thông minh. Các PLC và các transmitter số thông minh này được nối với nhau thành một mạng dựa trên chuẩn truyền tin RS – 485. Máy chủ PC sẽ làm nhiệm vụ thu thập số liệu, ra lệnh điều khiển, ghi nhận trạng thái, thao tác vận hành và sự cố. PC là nơi hiển thị các giao diện người - máy và cũng la nơi quản lý các cơ sở dữ liệu của hệ thống. Kiến trúc kiểu này rất phù hợp với nhưng trạm có quy mô lớn và đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong tương lai bởi hệ thống và quy mô của các trạm cũng ngay càng phức tạp. 3. Lợi ích của việc sử dụng SCADA trạm SCADA trạm sẽ mang lại những lợi ích to lớn khi thiết kế, xây dựng, vận hành, bảo trì và nâng cấp trạm khi cần mở rộng. Đặc biệt nó tăng cường thêm chất lượng giám sát, vận hành và nâng cao tính tin cậy của hệ thống trạm. Các lợi ích mà SCADA trạm mang lại gồm: 3.1 Lợi ích khi thiết kế và xây dựng trạm  Giảm bớt số lượng các thiết bị dự phòng.  Giảm thiểu hạ tầng cơ sở của trạm bao gồm: đường cáp tín hiệu/ống dẫn dây, các tủ bảng đo lường, tủ bảng điều khiển và diện tích nhà điều hành trạm.  Dễ dàng nâng cấp, mở rộng hệ thống điều trạm. 3.2 Lợi ích khi vận hành  Tự động ghi nhận các hoạt động ghi nhận các hoạt động điều hành trạm của người trực trạm cũng như các lệnh điều hành của cấp trên.  Có cơ sở dữ liệu vận hành để dùng trong việc vận hành, phân tích, tính toán với hệ thống, điều khiển thời gian thực.  Giảm được số lượng nhân công vận hành trạm, hơn nữa trên cơ sở hệ thống trạm được tự động hoá hoàn toàn điều này sẽ tránh được đáng kể những sai sót do người công nhân vận hành trạm. 3.3 Lợi ích trong bảo trì hệ thống 14  Có cơ sở dữ liệu về lịch sử vận hành, lịch sử thao tác trạm, các báo động, thông tin về sự cố luôn có sẵn trên hệ thống.  Các thiết bị đo có thể được trực tiếp lập trình về các thông số cấu hình, chẩn đoán, chỉnh định hệ thống…  Dễ dàng lập kế kế hoạch bảo trì thiết bị thông qua việc phân tích cơ sở số liệu tình trạng hoạt động của thiết bị. Chi phí bảo trì sẽ giảm do có số liệu cụ thể về hệ thống.  Sơ đồ trạm được quản lý bằng máy tính nên rất dễ dàng trong việc xem xét cũng như cập nhật các thay đổi mà không mất nhiều chi phí. 3.4 Tăng cường tính tin cậy của hệ thống  Giao diện người - máy thân thiện với giải thích rõ ràng cùng cơ chế kiểm tra hoạt động sẽ giảm thiểu khả năng tháo tác nhầm, thao tác sai của người trực trạm.  Tăng số lượng, chất lượng và độ tin cậy của việc thu thập số liệu.  Cung cấp nhanh chóng và chính xác về lịch sử thao tác cũng như lịch sử vận hành trạm đê có thể đưa ra nhanh chóng nhưng quyết định khi hệ thống có sự cố xảy ra hay là khi cần nâng cấp, bảo trì hệ thống.  Trên cơ sở có các cảnh báo sớm sẽ khiến cho việc bảo trì đúng thời hạn sẽ giảm thiểu đáng kể các rủi ro hỏng hóc mang lại.  Do việc thu thập số liệu thời gian thực nên cho phép thực hiện nhanh chóng xác định và xử lý tình trạng quá tải. Những khu vực bị quá tải này sẽ được nhanh chóng bù đắp bằng hệ thống nguồn cấp dự phòng khác; điều này giảm đáng kể thời gian bị mất điện do sự cố qua tải hệ thống. Tổ chức của SCADA trạm 1. Tổ chức của SCADA Theo yêu cầu của hệ SCADA, chúng ta nhận thấy SCADA có các đặc điểm sau: a) Hệ thống vừa truyền tin, vừa tiến hành thu thập số liệu, tính toán, tiến hành tương tác với người dùng và truyền tin với cấp trên trong tất cả thời gian thực. b) Hệ thống có nhiều tính năng khác nhau. Một số đòi hỏi việc tính toán là rất nhiều( ví dụ như việc lập các báo cáo, phân tích hệ thống… ) nhưng một số công việc lại đòi hỏi tính thời gian chặt chẽ( các hệ thống đòi hỏi tính thời 15 gian thực cao như là các hệ thống thu thập số liệu, truyền tin cấp dưới, cảnh báo, báo động…). c) Một số tính năng hoạt động liên tục(ví dụ như: đo, thu thập thông số hệ thống, truyền tin…) nhưng một số tính năng lại chỉ hoạt động theo yêu cầu hay định kỳ rồi nghỉ( ví dụ như trong công tác in báo cáo, lập bảng biểu chỉ làm theo yêu cầu của người dừng ). d) Một số tính năng bắt buộc phải có, một số tính năng khác thì lại là tuỳ chọn của người dùng có thể thêm vào hay bớt đi mà không làm ảnh hướng đến hệ thống. Xuất phát từ các đặc điểm trên, chúng tôi đã chia hệ SCADA trạm thành các đối tượng hoạt động trong các trường thông tin khác nhau. Hệ SCADA trạmd thực hiện trên một máy tính cá nhân PC đơn bộ xử lý, thực hiện đa chức năng, đa luồng bằng cách phân chia thời gian thực hiện giữa các luồng hoạt động và thực hiện đa tác vụ, đa xử lý thực sự ở cấp transmitter số. Hệ thống SCADA trạm của chúng ta được xây dựng từ các đối tượng sau:  Đối tượng cấp trường đó là các trasmitter số thông minh, các bộ chuyển đổi, các sensor cảm biến.  Đối tượng thu thập.  Đối tượng lập báo cáo( hiển thị và in ấn các báo cáo).  Đối tượng truyền tin với cấp trên.  Đối tượng quản lý cơ sở số liệu về lịch sử vận hành, lịch sử sự kiện thao tác, sự cố…  Đối tượng thiết kế các trang hiển thị( gồm các thanh tác vụ tasbar, bus bar…).  Đối tượng thiết kế báo cáo.  Đối tượng lập cấu hình hệ thống. 2. Lựa chọn hệ điều hành Ngày nay kỹ thuật phần cứng của máy tính đã phát triển hết sức mạnh mẽ. Năng lực của các máy tính thế hệ mới của Intel mà điển hình là dòng chíp xử lý họ Pentium đã mang lại bước nhảy vọt trong công việc tính toán, xử lý dữ liệu và phân tích hệ thống. Giao diện đồ hoạ GUI( Graphical User Interface) càng ngày càng được hoàn thiện, gần với người sử dụng hơn. Với hệ thống thư viên đồ hoạ khổng lồ của Microsoft Windows với các giao tiếp đồ hoạ chuẩn đã tạo nên nhiều bước ngặt trong lĩnh vực thiết kế giao diện. Do máy tính PC là rất đơn giản, nhỏ gọn và độ tin cậy là tuy không băng các máy tính công nghiệp nhưng với công nghệ điện tử hiện nay các máy PC vẫn đáp ứng tốt các yêu cầu về xử lý cũng như tính toán trong các quá trình công 16 nghiệp. Trước đây người ta hay dùng trên hệ điều hành truyền thống của Microsoft Windows là MS – DOS, tuy hệ điều hành DOS là khá đơn giản song ngay nay với quy mô của các trạm là rất lớn và số công việc phải thực hiện cùng một lúc là rất cao và DOS không đáp ứng được điều này. Hệ điều hành Windows đã mang lại một sự thay đổi đáng kể. Do vậy chúng tôi quyết định chọn việc phát triển bộ phần mềm SCADA trạm dựa trên hệ điều hành của Microsoft Windows với version Windows 2000/Windows XP với các lý do sau:  Microsoft Windows XP là một hệ điều hành thuộc vào loại tiên tiến hiện nay, nó hỗ trợ đa chương trình, đa năng cùng với một hệ thống bảo mật nghiêm ngặt giúp bảo vệ tài nguyên của hệ thống. Trong khi một hệ SCADA có rất nhiều chức năng, nhiệm vụ bao gồm: hiển thị đồ hoạ, tạo lập báo cáo, quản lý cơ sở dữ liệu, điều khiển hệ thống trạm, truyền tin… Nếu chúng ta dưa tất cả các chức năng này vào trong một chưong trình duy nhất sẽ làm chương trình trở nên rất phức tạp, khả năng mắc lỗi là rât cao. Hơn nữa việc đưa tất cả các tác vụ vào cùng một chương trình sẽ rất khó khăn trong công tác quản lý cũng như trong công tác điều khiển hệ thống. Còn một lý do nữa là một số chức năng không phải lúc nào cũng được sử dụng một cách thường xuyên, liên tục vì vậy sẽ không tạo nên tính hiệu quả. Bởi vậy cách tốt nhất là chia nhỏ chương trình ra thành các module nhỏ với các tác vụ độc lập, chức năng riêng biệt chạy trên một hệ điều hành đa nhiệm hỗ trợ đa năng.  Microsoft Windows XP có khả năng quản lý bộ nhớ lớn: khả năng đánh địa chỉ trực tiếp 32bit của Windows cho phép đánh địa chỉ trực tiếp tới 4Gb ô nhớ đủ để đáp ứng yêu cầu của mọi bộ phần mềm. Người lập trình sẽ không bao giờ phải bận tâm với việc thiếu bộ nhớ.  Microsoft Windows XP cung cấp cho người dùng một phương thức đồng nhất để tạo giao tiếp đồ hoạ một cách dễ dàng và thân thiện. Băng cách lập trình thống nhất không phụ thuộc phần cứng, người lập trình sẽ không phải bận tâm đến tính tương thích giữa các hệ thống đồ hoạ khác nhau. DOS là một hệ điều hành dựa trên các dòng lệnh, không hỗ trợ đồ hoạ trong lúc SCADA làm việc phần nhiều lại là đồ hoạ, việc này khiến người thiết kế hệ thống SCADA phải tự xây dựng các thư viên đồ hoạ cho chương trình SCADA của mình. Đây là một việc làm rất khó khăn đòi hỏi mất nhiều công sức và tốn kém. Trong khi ấy Windows lại cung cấp một hệ thống các phần tử GUI chuẩn bao gồm view, dialog box, push button, pop-up mennu và nhiều thư viện khác việc này đã mang lại cho người thiết kế hệ thống rất nhiều trong việc tạo ra các HMI thân thiện và đẹp mắt mà không mất nhiều thời gian.  Microsoft Windows XP hỗ trợ mạnh trong các giao tiếp mạng như mạng toàn cầu Internet, Ethernet công nghiệp, các mạng cục bộ LAN, WAN…Nó hỗ trợ sử dụng modem, giúp cho người lập trình dễ dàng tạo các giao tiếp truyền thông cần thiết với công sức bỏ ra là ít nhất. 17  Microsoft Windows XP hỗ trợ đa phương tiện( multimedia) giúp người lập trình dễ dàng thêm vào các âm thanh và các hình ảnh chuyển động khiến cho giao diện HMI gần với thực tế hơn.  Microsoft Windows XP ngoài việc sử dụng phần cứng của Intel ra chúng ta có thể sử dụng phần cứng của nhiều hãng phần cứng khác nhau. 3. Triển khai xây dựng bộ phần mềm cho SCADA trạm Hệ thống SCADA trạm là một hệ thống khá phức tạp, bao gồm nhiều tính năng, chức năng và nhiệm vụ khác nhau, được tổ chứcdưới dạng một tập hợp các chương trình hoạt động có liên quan mật thiết với nhau. Mỗi module có một đặc điểm riêng đòi hỏi người lập trình phải có một hiểu biết nhất định về lĩnh vực cụ thể đó. Với một số hiểu biết và kinh nghiệm làm việc với ngôn ngữ C/C++, tôi quyết định chọn hướng nghiên cứu, triển khai và thiết kế SCADA trạm cho trạm điện 110kV Sơn Tây dựa trên việc sử dụng phần mềm SCADA công nghiệp WinCC của hãng phần cứng SIEMENS . Phần thu thập dữ liệu, điều khiển giám sát và hiển thị HMI có những yêu cầu chính sau:  Hiển thị các trang màn hình mô tả trạm.  Thu thập các số liệu U, I, P, Q từ các transmitter số theo một chu kỳ đặt trước tuỳ theo yêu cầu cụ thể của hệ thống.  Hiển thị trạng thái của các máy cắt, cầu dao…  Ghi nhận các sự kiện quá áp, quá dòng, quá tải…  Lưu trữ các số liệu giám sát được vào bộ nhớ của máy để dùng khi báo cáo với cấp trên hay dùng làm tài liệu để khắc phục lỗi khi có sự cố. Trạm điện và SCADA trạm 1. SCADA trong hệ thống điện lực 1.1 Các cấp quản lý trong hệ thống điện lực Mục đích của việc SCADA cho các trạm điện trong hệ thống điện lực Việt Nam trước tiên nhằm đáp ứng nhu cầu về tự động hoá và số hoá hệ thống điện Việt Nam. Nó phản ánh một bước đi tất yếu của việc hiện đại hoá hệ thống điện, đồng thời nó cũng phản ánh trình độ về kinh tế-kỹ thuật của lưới điện Việt Nam. Bảng dưới đây tóm tắt sơ lược những cấp quản lý trong việc phân bổ điện: 18 Cấp quản lý Nội dung quản lý chính Phát và truyền tải điện lực siêu cao - Phương án phân phát P, Q trên áp 500kV xuyên quốc gia toàn lãnh thổ quốc gia. - Quản lý tần số, dự phòng ổn định tĩnh, động của hệ thống điện quốc gia. - Thu thập số liệu, thao tác, bảo vệ rơle, chẩn đoán, bảo dưỡng các thiết bị cao áp. Phát và truyền tải điện đến các trạm - Phương án phân bố P, Q trên các trong mạng cao áp 220kV khu vực khu vực cụ thể. - Phân bố điện áp 220kV ở các trọng tâm tải và dự phòng bảo vệ nguồn. - Thu thập số liệu, thao tác, bảo vệ rơle, chẩn đoán hỏng hóc và bảo dưỡng thiết bị. Phân phối và truyền tải điện trong Phát bù công suất phản kháng Q, địa bàn các mạng 110kV phân bổ điện áp trên địa bàn.Thu thập các số liệu, thao tác, bảo vệ, chẩn đoán và bảo dưỡng thiết bị. Phân phối điện xuống mạng 35kV Phát bù công suất phản kháng Q. trở xuống Điều khiển điện áp trung áp và xa thải tải theo yêu cầu.Thu thập số liệu, bảo vệ và bảo dưỡng hệ thống. Cung cấp điện lực hạ áp khu dân cư Tiến hành các thao tác đóng cắt, bảo và xí nghiệp nhỏ. vệ và bảo dưỡng hệ. Qua trên chúng ta nhận thấy một số điều: - Đối với mạng siêu cao áp, việc tính toán, xử lý số liệu để từ đó đưa ra các lệnh điều khiển hệ thống đòi hỏi một yêu cầu nghiêm ngặt về tính chính xác và kịp thời trong việc ra quyết định. Nhiệm vụ này thuộc về trung tâm điều độ quốc gia A0. Các trung tâm phân phối điện lưới cấp miền và khu vực không đảm đương được việc này. Tuy nhiên một thực tế tồn tại là việc thu thập số liệu và điều khiển thao tác lên hệ thống lại đặt ở xa thuộc lĩnh vực quản lý của các trạm. Do vậy, các trung tâm điều độ muốn điều khiển từ xa thì phải dựa và một hệ thống thông tin công nghiệp tốt để nhận các số liệu từ cấp dưới đưa lên và các lệnh cần thi hành đưa xuống cấp dưới. Việc quản lý phân phối cung cấp điện ở cấp cao áp thì thường giao cho các trung tâm điều độ miền nắm giữ. Các trung tâm này cũng tích cực tham gia vào việc giám sát hệ thống và chia sẻ bớt gánh nặng điều khiển của SCADA điều độ cấp trên. - Đến các trạm, các trạm này thực hiện toàn bộ các tác vụ thu thập số liệu hệ thống, điều khiển tải của lưới và thực hiện các thao tác nhằm ổn định hệ thống. Khi các trạm được tự động hoá hoàn toàn thì việc giám sát hệ thống và 19 điều khiển lưới lúc này trở nên rất đơn giản. Khi SCADA điều độ cần điều khiển thao tác xuống một thiết bị phía cấp dưới như đóng cắt máy cắt nào đó thì nó chỉ cần gửi một bản tin xuống trạm. Tại trạm thông qua các PLC hay các RTU mà thao tác đó được thực hiện. Hay ngược lại khi cần dữ liệu về hệ thống và trạm thì SCADA điều độ chỉ cần gửi một bản tin yêu cầu các trạm gửi số liệu về hệ thống lên. 1.2 Các loại hình SCADA trong hệ thống điện Dựa vào các phân tích bên trên ta đề ra hai loại hình SCADA sau: - SCADA điều độ - SCADA trạm 1.2.1 SCADA điều độ cấp quốc gia Đây là một trung tâm mang tính điều độ cấp cao, mang tính huyết mạch của hệ thống điện Việt Nam. Nó làm nhiệm vụ điều tiết toàn bộ điện năng trên lưới. SCADA điều độ quốc gia giúp cho việc phân bổ điện năng thông suốt trên khắp ba miền. SCADA điều độ quốc gia đảm đương các nhiệm vụ sau: - Thu thập các số đo, các trạng thái, tình hình phụ tải từ các trung tâm điều độ miền đưa lên. - Trên cơ sở các số liệu thu được tiến hành phân tích, nhận dạng, đánh giá và đưa ra các điều khiển tối ưu cho hệ thống về phân bổ công suất cũng như ổn định dự phòng trong lưới. Thực chất trung tâm SCADA điều độ quốc gia không trực tiếp làm nhiệm vụ thu thập số liệu về hệ thống và cũng không điều khiển trực tiếp lên hệ thống mà chỉ thông qua các trạm phía dưới để thu thập dữ liệu và điều khiền hệ thống thông qua các lệnh dưới dạng các bản tin. 20