Tài liệu Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện của nhà máy nhiệt điện

NGUYỄN HOÀNG NAM BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------- NGUYỄN HOÀNG NAM KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO TRẠM PHÁT ĐIỆN CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA 2014B Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------- NGUYỄN HOÀNG NAM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO TRẠM PHÁT ĐIỆN CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN LUẬN VĂN TS. PHẠM QUANG ĐĂNG Hà Nội – Năm 2017 LỜI CẢM ƠN Tôi xin được gửi lời cám ơn trân trọng và sâu sắc nhất đến thầy TS. Phạm Quang Đăng người đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin chân thành cám ơn quý Thầy - Cô trong Khoa Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường Đại Học Bách Khoa Hà nội đã truyền đạt kiến thức cũng như định hướng nghiên cứu cho tôi trong quá trình học tập tại trường. Tôi xin cám ơn Viện tự động hóa đã hỗ trợ không gian làm việc , cung cấp tài liệu nghiên cứu cho tôi trong quá trình nghiên cứu luận văn. Hà nội, ngày 25 tháng 10 năm 2017 Học viên NGUYỄN HOÀNG NAM LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả những lý thuyết trình bầy trong quyển luận văn này được viết theo sự tư duy cá nhân chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Hà nội, ngày 25 tháng 10 năm 2017 Học viên NGUYỄN HOÀNG NAM Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 7 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... 8 PHẦN MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 9 1.1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................9 1.2. Mục tiêu của luận văn ..........................................................................................9 1.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................9 1.4. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................10 1.5. Nội dung luận văn ..............................................................................................11 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ....................................................................................... 12 1.1. Tổng quan về hệ thống SCADA ........................................................................12 1.1.1. Khái niệm về hệ thống SCADA .............................................................12 1.1.2. Giao diện người - máy (HMI) ................................................................13 1.1.3. MTU (Master Terminal Unit).................................................................13 1.1.4. RTU (Remote Terminal Unit) ................................................................13 1.1.5. Programmable Logic Controllers ...........................................................14 1.2. Sự hoạt động của hệ thống SCADA ..................................................................14 1.2.1. Cơ chế thu thập dữ liệu...........................................................................14 1.2.2. Xử lí dữ liệu............................................................................................15 1.3. Các yêu cầu của hệ thống SCADA ....................................................................15 1.3.1. Chức năng giám sát ................................................................................16 1.3.2. Chức năng điều khiển .............................................................................16 1.3.3. Cài đặt thông số từ xa .............................................................................16 1 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện 1.3.4. Quản lý và lưu trữ dữ liệu ......................................................................16 1.3.5. Tính năng thời gian thực ........................................................................16 CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG SCADA CHO TRẠM ĐIỆN 220kV NHIỆT ĐIỆN NGHI SƠN I ..................................................................................... 18 2.1. Giới thiệu về hệ thống điện Nhà máy ................................................................18 2.3. Các thiết bị sử dụng trong trạm ..........................................................................19 2.4. Phân tích các tín hiệu .........................................................................................20 2.4.1. Tín hiệu từ thiết bị trạm, từ bảo vệ IEC tới RTU đến NRDC/ NRDC và DCS. ..................................................................................................................20 2.4.2. Các tín hiệu gửi từ NLDC/NRLDC và từ DCS đến trạm 220 kV..........20 2.5. Lựa chọn phương án liên kết các phân tử trong hệ thống SCADA trạm theo tiêu chuẩn IEC 61850 ............................................................................................22 2.5.2. Cấu trúc mạch vòng đơn.........................................................................22 2.5.3. Cấu trúc mạch thẳng ...............................................................................22 2.5.4. Cấu trúc hình sao ....................................................................................23 2.5.5. Lựa chọn cấu trúc mạng thích hợp .........................................................23 2.6. Các chức năng chính của trạm phát điện Nghi Sơn I .........................................27 2.6.1. Giám sát ..................................................................................................27 2.6.2. Điều khiển ..............................................................................................28 2.6.3. Bảo trì hệ thống ......................................................................................28 2.6.4. Mô hình hệ thống áp dụng cho các trạm biến áp. ..................................28 2.7. Lựa chọn các phần tử truyền thông ....................................................................30 2.7.1. Lựa chọn các thiết bị phần cứng phục vụ trong SCADA trạm ..............30 2.7.2. Đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị .........................................................31 2.7.3. Sự làm việc của SCS ..............................................................................32 2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU VỀ TIÊU CHUẨN IEC 61850 ................................. 33 3.1.Giới thiệu về tiều chuẩn IEC61850 .....................................................................33 3.1.2. Phần tử dữ liệu trong Logical nodes.......................................................41 3.1.3. Về lớp dữ liệu chung và giới hạn chức năng của datra attributes ..........41 3.1.4. Giới hạn chức năng (Functionconstraint) ...............................................43 3.2. Cấu trúc mạng truyền thông của hệ thống tự động trạm phát điện ....................45 3.3. Phân tích chức năng trao đổi thông tin trong trạm .............................................46 3.4. Ứng dụng mô hình hóa bằng nút logic được định nghĩa trong IEC 61850-7-4 .48 3.5. Phân tích các thành phần của dữ liệu .................................................................50 3.6. Các dịch vụ trao đổi thông tin. ...........................................................................51 3.7. Phân tích mô hình theo hướng tiếp cận ..............................................................52 3.7.1. Phân tích chức năng ứng dụng và trao đổi thông tin. .............................52 3.7.2 Từng bước tạo ra mô hình thông tin ........................................................54 3.7.3. Quan sát theo hướng trao đổi thông tin. .................................................54 3.7.5. Điểm liên kết trao đổi thông tin giữa thiết bị vật lý và mô hình ứng dụng. ..................................................................................................................57 3.8. Giới thiệu về mô hình dịch vụ ............................................................................58 3.8.1. Tổng quan về ACSI. ...............................................................................58 3.8.2. Tổng quan mô hình thông tin cơ bản. ....................................................59 3.8.3. Tổng quan về các mô hình dịch vụ.........................................................60 3.8.4. Mô hình máy chủ (Server)......................................................................61 3.8.5. Mô hình Logical Devices. ......................................................................63 3.8.7. Mô hình lớp dữ liệu ( DataClass ). .........................................................66 3.8.8. Mô hình DataSet. ....................................................................................68 3 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện 3.8.9. Mô hình sự cố trạm GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event). ...............................................................................................................70 3.8.10. Truyền dữ liệu Sampled Value (SV). ...................................................72 3.8.11. Báo cáo và ghi nhật ký (Reporting and Logging). ...............................74 3.9. ỨNG DỤNG CỦA IEC 61850 ĐỂ THIẾT KẾ TRẠM ....................................77 3.9.1 Giới thiệu ngôn ngữ SCL (Substation Configuration Language). ...................77 3.9.2. Đối tượng cơ bản của ngôn ngữ SCL. ....................................................77 3.9.3. Trình tự tạo file .SCD để phục vụ cấu hình trạm phân phối ..................78 3.10. Ứng dụng phần mềm Kalkitech SCL manager version4.3 ..............................79 3.10.1. Thiết kế file. SCD .................................................................................80 3.10.2. Gán các Logical Nodes cho các phần tử trạm phát điện ......................82 3.11. Tổng quan về mô tả chức năng IED.................................................................83 3.12. Cấu hình IED....................................................................................................84 3.13. Thêm các yếu tố truyền thông ..........................................................................87 3.14. Thêm DOI và DAI ...........................................................................................88 3.15. Thêm vào các DataSets ....................................................................................90 CHƯƠNG 4. TỔNG KẾT NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÃ TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN CỨU TRONG ĐỀ TÀI ............................................................................................ 92 4.1. Các vấn đề cần tìm hiểu .....................................................................................92 4.2. Các vấn đề nghiên cứu được ..............................................................................92 4.3. Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo ...............................................................93 4 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1: Minh họa về hệ thống SCADA .............................................................12 Hình 2.1: Hệ thống điện của nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn I................................18 Hình 2.2: Sơ đồ trạm 220 kV .................................................................................21 Hình 2.3: Mạch vòng kép .......................................................................................22 Hình 2.4 : Mạch vòng đơn ......................................................................................22 Hình 2.5: Mạch thẳng .............................................................................................23 Hình 2.6: Mạch hình sao ........................................................................................23 Hình 2.7: Sơ đồ vòng kép truyền thông trạm .........................................................26 Hình 2.8: Ký hiệu relay kỹ thuật số và dây liên kết trong trạm .............................27 Hình 2.9: Cách thức trao đổi thông tin ...................................................................29 Hình 3.1: Mô hình tiêu chuẩn IEC 61850. .............................................................33 Hình 3.2: Mô hình khối Physical Device. ..............................................................36 Hình 3.3: Cấu trúc đối tượng IEC61850 ................................................................41 Hình 3.4: Thành phần CDC trong máy cắt XCBR .................................................42 Hình 3.5: Một số chức năng trong danh sách các lớp dữ liệu chung .....................43 Hình 3.6: Tình trạng FC-Lớp dữ liệu thông thường trong IEC61850-7-3 .............44 Hình 3.7: Danh sách các lớp chức năng giới hạn của nút logic .............................45 Hình 3.8: Mô hình cấu trúc liên kết tự động hóa trạm biến áp. .............................46 Hình 3.9: Mô hình tiếp cận tiêu chuẩn IEC 61850. ................................................47 Hình 3.10: Mô tả loại thông tin trong LN .............................................................49 Hình 3.11: Nguyên tắc xây dựng lên khối thiết bị (IED). ......................................49 Hình 3.12: Mô tả dạng cấu trúc về thông tin vị trí của một máy cắt ......................50 Hình 3.13: Dịch vụ trao đổi thông tin trong LN .....................................................51 Hình 3.14: Khái niệm quá trình chia nhỏ và hợp thành của một LN ....................53 Hình 3.15: Mô tả thông tin có cấu trúc cây của một XCBR1 ................................54 5 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện Hình 3.16: Phương pháp trao đổi thông tin ACSI. ...........................................55 Hình 3.17: Mô hình ảo............................................................................................56 Hình 3.18: Áp dụng cho mô hình GSE...................................................................57 Hình 3.19: Cấu trúc thành phần của các hướng quan sát. ......................................58 Hình 3.20: Mô hình khái niệm cơ bản của các lớp ACSI. .....................................60 Hình 3.21: Khái niệm mô hình dịch vụ ACSI. .......................................................61 Hình 3.22: Các khối hình thành mô hình Server. ...................................................61 Hình 3.23: Lưu đồ của mô hình server ...................................................................62 Hình 3. 24: Mô hình khối Logical Device. .............................................................63 Hình 3. 25: Lưu đồ của dịch vụ lớp Logical Device ..............................................64 Hình 3.26: Lưu đồ của lớp Logical Node ...............................................................66 Hình 3.27: Mô hình lớp Data cho một máy cắt XCBR trong LN. .........................67 Hình 3.28: Dịch vụ hoạt động trên dữ liệu. ............................................................67 Hình 3.29 : Lưu đồ của Lớp Data ...........................................................................68 Hình 3.30: Thành phần DataSet. ............................................................................69 Hình 3.31: Lưu đồ lớp DataSet ..............................................................................70 Hình 3.32: Mô hình sự cố dùng GOOSE. ..............................................................71 Hình 3.33: Lưu đồ lớp Goose .................................................................................72 Hình 3.34: Mô hình SV ..........................................................................................73 Hình 3.35: Mô hình báo cáo và ghi nhật ký. ..........................................................74 Hình 3.36: Sơ đồ từng bước cấu hình trạm phát điện........................................78 Hình 3.37: Mô hình hóa các thiết bị ở trạm phát điện Nghi Sơn I .........................79 Hình 3.38: Mở một Project thiết kế trạm phát điện Error! Bookmark not defined. Hình 3.39: Sơ đồ nhất thứ trạm được vẽ trên phần mềm .......................................82 Hình 3.40: Thêm Accesspoint Details khi thêm một Lnode ..................................82 Hình 3.41: Gán các LN cho phần tử trạm phát điện ..............................................83 6 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện Hình 3.42: Kết nối chức năng IED vào cấu hình trạm phát điện ...........................83 Hình 3.43: Thêm chức năng LN GGIO ..................................................................85 Hình 3. 44: Thêm DO Eehealth 2 ...........................................................................85 Hình 3.45: Thêm chức năng LN GGIO ..................................................................86 Hình 3.46: Thêm một subnetwork trong communication ......................................87 Hình 3.47: Thêm một Connected AP trong subnetwork ........................................88 Hình 3.48: Thêm một DOI trong LN......................................................................89 Hình 3.49: Thêm DAI cụ thể ..................................................................................89 Hình 3.50 : Thêm DataSet ......................................................................................90 Hình 3.51: Thông tin của DataSet trong của sổ windown......................................91 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: So sánh mạch vòng tích cực và mạch thẳng ..........................................24 Bảng 2.2: Phân biệt Server và client ......................................................................30 Bảng 2.3: Các thiết bị cấu hình cho hệ thống SCADA ..........................................30 Bảng 3.1: Cụm từ viết tắt trong IEC61850.............................................................35 Bảng 3.2: Chức năng cụ thể của từng loại Logic nodes .........................................37 Bảng 3.3: Đối tượng máy cắt trong mô hình cơ bản của lớp ACSI .......................60 Bảng 3.4: Định nghĩa lớp Server. ...........................................................................62 Bảng 3.5: Định nghĩa lớp Logical Device ..............................................................63 Bảng 3.6: Định nghĩa lớp Logical Node.................................................................65 Bảng 3.7: Định nghĩa lớp Data. ..............................................................................67 Bảng 3.8: Định nghĩa lớp DATA-SET (DS). .........................................................69 Bảng 3.9: Định nghĩa khối lớp GOOSE. ................................................................71 Bảng 3.10: Dịch vụ lớp MSVCB............................................................................73 Bảng 3.11: Các thiết bị được ảo hóa trong trạm .....................................................79 7 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Bay Control Unit Khối điều khiển Direct Current Dòng điện một chiều EWS Engineering Work Station Trạm kỹ thuật GTW Gateway Cổng vào ra GPS Global Positioning Systems Hệ thống định vị toàn cầu HMI Human Machine Interface Giao diện người máy Hard disk Ổ cứng Input/output Đầu vào/ra LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng LAN Local Area Network Mạng LAN Lucent conector Đầu nối LC National Load Despatch center Trung tâm điều độ quốc gia National Regional Load Despatch center Trung tâm điều độ khu vực Operator Work Station Trạm vận hành OI Operator Interface Giao diện vận hành PC Single Line Diagram Sơ đồ một sợi SWITCHYARD Trạm phân phối 220KV Substation control SystemM Hệ thống điều khiển trạm điện BCU DC HD I/O LC NLDC NRLDC OWS SWYD SCS 8 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện PHẦN MỞ ĐẦU 1.1. Lý do chọn đề tài Sự ra đời của tiêu chuẩn IEC 61850 dựa trên những mục tiêu của cấu trúc truyền thông tiện ích UCA, đã tạo nên bước đột phá trong công nghệ trạm biến áp. Từ khi áp dụng tiêu chuẩn IEC 61850 thì việc kết nối, trao đổi dữ liệu giữa những thiết bị từ nhiều nhà cung cấp trở nên dễ dàng hơn và hạn chế được giao thức độc quyền. Từ đó, tiêu chuẩn IEC 61850 được chọn làm tiêu chuẩn trong tự động hóa trạm. Sau quá trình nghiên cứu, phân tích những ứng dụng từ tiêu chuẩn IEC 61850 trong trạm phát điện dựa trên những mô hình ứng dụng, trao đổi thông tin, tìm hiểu về giao thức hay việc sử dụng ngôn ngữ SCL trong cấu hình trạm. Từ những phân tích tiêu chuẩn IEC 61850 đề tài được chọn có tên: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện của nhà máy nhiệt điện” 1.2. Mục tiêu của luận văn • Thông qua luận nhằm tìm hiểu cơ chế hoạt động của trạm phát điện theo tiêu chuẩn IEC 61850. • Biết phân tích chức năng của các thiết bị IED dùng trong trạm và tìm hiểu những giao thức truyền dữ liệu hay các mô hình trong tiêu chuẩn IEC 61850. • Biết sử dụng ngôn ngữ và phần mềm hỗ trợ trong việc cấu hình trạm theo tiêu chuẩn IEC 61850. • Làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ - nhân viên đang tham gia vận hành, quản lý các trạm điện trong ngành điện. 1.3. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu nhằm giới thiệu tổng quan hệ thống SCADA, các yêu cầu của một hệ thống SCADA hoàn chỉnh. Tìm hiểu cụ thể hệ thống SCADA của nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn I. Từ sơ đồ nhất thứ của trạm phát điện cho tới sơ đồ truyền thông vòng kép theo tiêu chuẩn IEC 61850. Phân tích được các tín hiệu điều khiển tới trạm từ điều độ vùng và điều độ quốc gia, tới các thiết bị trường. 9 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện Từ Chương 3, luận văn này tập trung khai thác nội dung trọng điểm của tiêu chuẩn IEC 61850 như các định nghĩa về Logical nodes, các DataSet. Từ các định nghĩa này làm kiến thức nền tảng thiết kế nên một trạm phát điện hoàn chỉnh theo tiêu chuẩn IEC61850.Việc ứng dụng phần mềm Kalkitech SCLmanager version4.3 đưa ngôn ngữ SCl dựa trên ngôn ngữ đánh dấu có thể mở rộng XML (eXtensible Markup Language) vào sử dụng và từ sơ đồ nhất thứ của trạm với các chức năng bảo vệ ngăn lộ, bảo vệ đường dây...thiết kế nên các file.SCD,.ICD,.CID bước đầu tạo nên cấu hình trạm theo tiếu chuẩn IEC 61850. 1.4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phân tích những kiến thức từ những tài liệu về IEC 61850 từ đó khái quát hóa được những nội dung được ghi trong luận văn, những nội dung cần phân tích như sau : • Nghiên cứu, phân tích tiêu chuẩn IEC 61850 qua các tài liệu IEC 61850 điển hình là các tài liệu IEC 6185 part-6/7 • Tìm hiểu hoạt động thực tế của trạm phát điện Nhiệt điện Nghi Sơn I. • Tìm hiểu chức năng bảo vệ của các thiết bị điện tử thông minh (IED) thông qua nghiên cứu cấu hình của relay kỹ thuật số của hãng ALSTOM, MICOM. • Tìm hiểu kiến thức về những yêu cầu thiết kế hệ thống SCADA trạm, mô hình truyền thông trong trạm được triển khai như thế nào từ màn hình HMI tới RTU và tới các thiết bị trường như máy cắt, dao cách ly... • Tìm hiểu thực trạng về cấu hình, cách kết nối và truyền thông tin trong ở Trạm phát điện thực tế Nhiệt điện Nghi Sơn I. • Phân tích hướng dẫn sử dụng và các bước cơ bản để tạo nên file SCD cấu hình trạm từ Software SCL Manager Kalkitech. • Tìm hiểu thêm những phần mềm ứng dụng để thiết kế File SCL theo tiêu chuẩn IEC 61850 như PCM600, CCT(ABB), Digse (Siemen), CET850. 10 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện • Phân tích các bước cơ bản để tạo nên file SCL cấu hình trạm từ Software SCL Manager Kalkitech. 1.5. Nội dung luận văn Luận văn được thực hiện với cấu trúc như sau: CHUONG 1: Tổng quan về SCADA và trạm phát điện trong nhà máy nhiệt CHƯƠNG 2: Cấu trúc hệ thống SCADA Trạm 220 kV nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn I CHƯƠNG 3: Giới thiệu về tiêu chuẩn IEC 61850 CHƯƠNG 4: Tổng kết những vấn đề đã tìm hiểu và nhiên cứu trong luận văn 11 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1. Tổng quan về hệ thống SCADA Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phần không thể thiếu được trong một hệ thống tự động hóa hiện đại. Từ những năm gần đây, tiến bộ trong các lĩnh vực truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm đã thực sự đem lại nhiều khả năng mới, giải pháp mới. Giống như nhiều từ viết tắt có tính chất truyền thống khác, khái niệm SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là viết tắt của cụm từ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Một hệ SCADA thực hiện các chức năng sau: • Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến. • Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được. • Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý. • Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà máy. • Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác. 1.1.1. Khái niệm về hệ thống SCADA Hình 1.1: Minh họa về hệ thống SCADA 12 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện Từ sơ đồ khối của hệ thống SCADA bao gồm các thành phần như sau: • Con người - máy giao diện (HMI) • Hệ thống giám sát • Đơn vị thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) • Programmable Logic Controllers (PLC) • Mạng thông tin liên lạc 1.1.2. Giao diện người - máy (HMI) HMI là một thành phần trong một hệ SCADA, là một thiết bị đầu vào - đầu ra hiển thị quá trình xử lý các dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống. HMI được sử dụng bằng cách liên kết với các chương trình phần mềm và cơ sở dữ liệu của hệ thống SCADA nhằm cung cấp các thông tin quản lý, bao gồm sơ đồ chi tiết, thông tin thiết bị, dự đoán xu hướng và dữ liệu cho một cảm biến hoặc thiết bị cụ thể, các cách tiến hành các lịch trình bảo dưỡng. Hệ thống HMI tạo điều kiện để cho các nhân viên vận hành có thể xem thông tin được ghi lại trong lịch sử hoạt động của thiết bị. Tuy nhiên không phải chỉ ở cấp điều khiển giám sát, mà ngay ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người-máy phục vụ việc quan sát và thao tác vận hành cục bộ. 1.1.3. MTU (Master Terminal Unit) MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, là thiết bị đưa ra lệnh trực tiếp tới RTU. MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền thông. Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như monitor, máy in và có thể kết nối với mạng truyền thông khác. Nhiệm vụ của MTU bao gồm: • Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành. Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU. • Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển. • Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác. 1.1.4. RTU (Remote Terminal Unit) 13 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện RTU thu nhận thông tin từ xa, thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo… gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái hoạt động của các thiết bị hiện trường. Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển hoạt động của các thiết bị theo yêu cầu. Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu. Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ xa mà không cần định hướng của MTU. 1.1.5. Programmable Logic Controllers Trong các hệ thống SCADA, PLC được kết nối với các cảm biến để thu thập các tín hiệu đầu ra cảm biến để chuyển đổi các tín hiệu cảm biến thành dữ liệu số. PLC được sử dụng thay cho RTU vì những lợi thế của PLC như tính linh hoạt, cấu hình đa năng và khả năng chi trả so với RTU. Mạng thông tin liên lạc: Là môi trường truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng và phần mềm. • Phần cứng: là các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và các thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây_ wireless), các trạm lặp (trong trường hợp truyền đi xa). • Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trình được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau. 1.2. Sự hoạt động của hệ thống SCADA 1.2.1. Cơ chế thu thập dữ liệu Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng. Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong. Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này. 14 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ. 1.2.2. Xử lí dữ liệu Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng tương tự (analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse). Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiển thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo. Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị. Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lí lỗi rất tốt khi hệ thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố xảy ra SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau: • Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: Trong hệ SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường. • Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hệ thống ở trạng thái đóng (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…). 1.3. Các yêu cầu của hệ thống SCADA Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng sau: 15 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát điện 1.3.1. Chức năng giám sát • Giám sát và đảm bảo được tinh chính xác toàn bộ các thông số vận hành của hệ thống như dòng điện, điện áp, công suất, tần số, vị trí nấc của máy biển áp... • Giám sát được các trạng thái cùa các phần tử đóng cắt trong hệ thống. Đó là trạng thái đóng/mở cùa máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa... 1.3.2. Chức năng điều khiển Quá trình điều khiên phải chính xác, tin cậy. Trong quá trình thực hiện các thao tác đóng/mở máy cắt, dao cách ly, điều khiển chuyển nấc phân áp của máy biến áp... từ xa (từ Trung tâm điều độ vùng/miền hoặc quốc gia) phải đảm bào tuyệt đối tin cậy, không được nhầm lần, có nghĩa là các thao tác phải được giám sát chặt chẽ về tính liên động phối hợp giữa máy cát, dao cách ly và các thiết bị liên quan tuân theo quy trình quy phạm vận hành của hệ thống. 1.3.3. Cài đặt thông số từ xa Khi có sự thay đồi về cấu trúc của lưới hoặc nâng cao công suất chống quá tải thì các thông số vận hành của lưới và thiết bị sẽ thay đổi, vì vậy ta cần phải đặt lại các thông số chỉnh định bảo vệ rơ le hoặc thay đồi tỷ số biển đổi trong các thiết bị đo đếm như đồng hồ và công tơ cho phù hợp với thực tế. Việc cài đặt này có thể đặt được thực hiện từ xa tại các Trung tâm điều độ vùng/miền hoặc quốc gia. 1.3.4. Quản lý và lưu trữ dữ liệu Giám sát được các sự cố xảy ra trên lưới cũng như của các thiết bị, cánh báo sự cố bằng âm thanh, màu sắc hoặc thông báo trên màn hình hiển thị. Ghi lại được các chuỗi sự kiện, sự cố xảy ra và xác định chuẩn đoán sự cố. Tất cả các chức năng trên của hệ thống phải được bảo mật ở mức cao nhất và tuyệt đối tin cậy. 1.3.5. Tính năng thời gian thực SCADA là một hệ thống điều khiến giám sát và thu thập dữ liệu trong thời gian thực, do đó tính năng thời gian của hệ thống là rất cần thiết và quan trọng. Sự hoạt động bình thường của hệ thống kỹ thuật nói chung, hệ thống điện nói riêng làm 16