Môn: Scada và tự động hóa trạm biến áp - Thiết kế hệ thống tự động hóa trạm biến áp 110kv sử dụng rtu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC --------------------------- TIỂU LUẬN MÔN: SCADA VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM BIẾN ÁP TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM BIẾN ÁP 110KV SỬ DỤNG RTU Người hướng dẫn : TS. Nguyễn Hoàng Việt Th.S Nguyễn Tuấn Linh Nhóm thực hiện : Đỗ Thị Ánh Tuyết Đỗ Thị Vân Lớp : Cao học SPKT ĐIỆN Hà Nội, tháng 7 - 2010 LỜI NÓI ĐẦU Để nâng cao chất lượng và đảm bảo cung cấp điện, hệ thống điện Việt Nam đang được đầu tư xây dựng và phát triển ngày càng nhiều các đường dây và trạm biến áp(TBA), cũng như không ngừng mở rộng các TBA đã đầu tư xây dựng trước đây như đầu tư xây dựng các máy biến áp(MBA) số hai và các xuất tuyến trung áp nhằm mục đích đảm bảo cung cấp điện đảm bảo sự tăng trưởng của phụ tải. Mặt khác hệ thống điện Việt Nam ngày càng được hiện đại hóa bằng các thiết bị hiện đại, các thiết bị lạc hậu trước đây dần được thay thế bằng các thiết bị hiện đại, được sản xuất theo công nghệ mới có chất lượng và độ tin cậy cao hơn. Hiện nay đa số các TBA có cấp điện áp 110kV, 220kV và 500kV đều được đầu tư đồng bộ hệ thống SCADA. Các trạm biến áp 500kV, 220kV mới và một số TBA 110kV được đầu tư hệ thống điều khiển tích hợp bằng máy tính để phục vụ việc giám sát và điều hành lưới điện từ các Trung tâm điều độ Miền và Trung tâm điều độ Quốc Gia. Với lưới điện phức tạp việc vận hành lưới điện sẽ ngày càng khó khăn hơn khi mật độ các trạm biến áp ngày càng nhiều hơn, việc đảm bảo tính ổn định hệ thống khó hơn, mặt khác do nhu cầu của phụ tải đòi hỏi chất lượng điện năng ngày càng cao. Do đó việc đầu tư nâng cấp các Hệ thống SCADA/EMS cũng như các trạm điện được trang bị hệ thống tự động hóa là cần thiết. CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM BIẾN ÁP 1.Khái niệm về hệ thống SCADA Là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory Control And Data Acquisition-SCADA). SCADA là một công cụ tự động hóa trong nhiều lĩnh vực, dùng kỹ thuật vi xử lý - PLC/RTU (Programmaple Logic Controller/ Remote Terminal Unit), để trợ giúp việc điều hành kỹ thuật ở các cấp trực điều hành các hệ thống tự động công nghiệp cũng như hệ thống điện. Hệ thống này cung cấp cho người vận hành những thông tin quan trọng của đối tượng cần quan tâm và cho phép thực hiện các lệnh điều khiển cần thiết về phía đối tượng để đảm bảo cho hệ thống hoạt động an toàn và có hiệu quả. SCADA được hình thành và phát triển cùng với sự phát triển chung của các ngành công nghiệp khác như công nghiệp vi xử lý, viễn thông, tin học ... Từ những năm đầu thập niên 70 nền công nghiệp các nước phát triển đi vào xu hướng tự động hóa. Việc sản xuất thủ công được thay thế dần ở các xí nghiệp công nghiệp. Bên cạnh đó ngành công nghệ thông tin, đặc biệt sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực tin học - công nghệ phần mềm, các hệ thống tự động hóa điều khiển bằng chương trình cũng ra đời. Với đặc điểm là một công cụ tự động hóa nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ việc quản lý điều khiển trong sản xuất công nghiệp, đến quản lý truyền tải và phân phối điện năng trong Điện lực ... Sau khi chuyển sang cơ chế thị trường, đất nước mở cửa quá trình công nghiệp tự động hóa bắt đầu, các nhà máy xí nghiệp xây dựng đều được ưu tiên về công nghệ tiên tiến và hệ thống SCADA - công cụ của tự động hóa cũng được phát triển rộng, lắp đặt ở nhiều nhà máy, xí nghiệp công nghiệp sản xuất chất lượng cao. Công nghệ SCADA ở nước ta, do nhập thiết bị của nhiều nước công nghiệp tiên tiến nên nó rất đa dạng về mẫu mã, cấu trúc, về chuẩn và chủng loại. Nhưng là một hệ thống công nghiệp mới nên hệ thống SCADA phần lớn cũng là hệ theo chuẩn công nghiệp chung. Hiện nay SCADA không thể thiếu được cho việc sản xuất tự động ở xí nghiệp công nghiệp cần độ chính xác và tự động hóa cao. Để đáp ứng với khả năng phát triển chung của nền kinh tế, hệ thống điện đóng vai trò chủ đạo không những thúc đẩy nền kinh tế mà còn đảm bảo an ninh, chính trị, quốc phòng. Vì vậy việc sử dụng SCADA trong hệ thống điện Việt Nam để đảm bảo việc cung cấp điện liên tục, vận hành, xử lý tình huống một cách nhanh chóng để đáp ứng yêu cầu của nền kinh tế phát triển. 2. Chức năng của trạm Thu thập dữ liệu từ : thiết bị đóng cắt, các thiết bị đo lường như biến dòng điện, biến điện áp và các thao tác điều khiển đóng cắt các thiết bị. Các thông tin liên quan của một trạm điện có thể truy cập tại chỗ thông qua giao diện người máy –HMI (Human Machine Interface) cho mục đích điều khiển và giám sát tại chỗ. 3. Chức năng chung của hệ thống SCADA Hệ thống SCADA thực hiện chức năng thu thập dữ liệu từ xa, các số liệu về sản lượng, các thông số vận hành ở các trạm biến áp thông qua đường truyền số liệu được truyền về trung tâm, lưu trữ ở hệ thống máy tính chủ. - Dùng các cơ sở số liệu đó: Để cung cấp những dịch vụ về điều khiển giám sát hệ thống điện. - Hiển thị các trạng thái về quá trình hoạt động của thiết bị điện, hiển thị đồ thị, hiển thị sự kiện, báo động, hiển thị báo cáo sản xuất. - Thực hiện điều khiển từ xa quá trình Đóng /Cắt máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, thay đổi các giá trị của đầu phân áp máy biến thế, đặt giá trị của rơle... - Thực hiện các dịch vụ: Về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài hệ, việc đọc viết số liệu lên PLC /RTU, trả lời các bản tin yêu cầu của cấp trên về số liệu, về thao tác. - Một hệ SCADA kết hợp phần cứng lẫn phần mềm vi tính để tự động hóa việc điều khiển giám sát cho một đối tượng trong hệ thống điện . - Với một hệ thống thì yêu cầu việc xây dựng hệ SCADA (cho hệ thống điện) thực hiện một trong số những nhiệm vụ tự động hóa sau: + Thu thập - Giám sát từ xa + Điều khiển Đóng /Cắt từ xa + Điều chỉnh tự động từ xa + Thông tin từ xa của các đối tượng và các cấp quản lý Mỗi chức năng trên đều có những yêu cầu đặc biệt cho từng bộ phận, phần cứng, phần mềm chuyên dụng của hệ thống SCADA. Cụ thể là: - Phần đo - Giám sát xa: Cần đảm bảo thu thập, lưu giữ, hiển thị, in ấn, đủ những số liệu cần cho quản lý kỹ thuật. - Phần điều khiển thao tác xa: Phải đảm bảo được việc kiểm tra Đóng /Cắt an toàn, tin cậy. 4. Hệ thống SCADA /EMS bao gồm các thành phần chính như sau: Hệ thống Máy tính chủ đặt tại các Trung tâm Điều độ hệ thống điện (Điều độ hệ thống điện Quốc Gia, Điều độ hệ thống điện Miền, Điều độ hệ thống điện lưới phân phối) bao gồm các thiết bị như sau: Máy tính chủ SCADA. Máy tính chủ giao diện người dùng MMI (Man Machine Interface). Máy tính chủ liên kết dữ liệu ICCP (Inter Control Center Protocol). Máy tính chủ Lưu trữ dữ liệu HIS (Historical Information System). Máy tính chủ Mô phỏng đào tạo điều độ viên theo thời gian thực DTS (Dispatcher Training Simulator) và Hệ thống phát triển DS (Development System). Máy tính chủ ứng dụng (Application Server) Các Trạm làm việc (Workstation PC). Hệ thống hiển thị VPS (Video Projector System). Thiết bị tiền xử lý thông tin CFE (Communication Front End Proccessor). Thiết bị tập trung Modem. Hệ thống thu nhận và phân phối tín hiệu đồng bộ về tinh GPS (Global Position System) Toàn bộ các thiết bị trên được kết nối thông qua một hệ thống mạng cục bộ LAN (Local Area Network), hệ thống đều được trang bị cấu hình dự phòng nóng 1+1. Bus Ehernet chính vận hành ở tốc độ 100Mbit/s, bus dự phòng vận hành ở tốc độ 10Mbit/s Hệ thống SCADA tại Trung tâm sẽ kết nối với các RTU ở các trạm biến áp sử dụng giao thức truyền tin IEC 870-5-101 master. Đồng thời kết nối với Hệ thống SCADA /EMS của Trung tâm Điều độ hệ thống điện Quốc gia bằng giao thức ICCP. 5. Thiết bị đầu cuối tại trạm Thiết bị đầu cuối tại trạm có thể là thiết bị RTU hoặc một hệ thống tư động hóa trạm hoặc có thể là một máy tính công nghiệp thu thập dữ liệu và điều khiển toàn bộ các thông số vận hành của trạm. Trong trường hợp sử dụng thiết bị đầu cuối RTU, Tại mỗi trạm gồm các thiết bị chính như sau: - Tủ thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit), chứa các đầu vào số, đầu ra số, đầu vào tín hiệu tương tự, các cổng giao diện tín hiệu nối tiếp để kết nối đến các IED (rơ le số hoặc các thiết bị điện tử thông minh khác như các bộ cảnh báo-annunciator, các PLC,.. ) - Tủ giao diện giám sát SIC (Supervisory Interface Cubicle), chủ yếu lắp đặt các bộ biến đổi trung gian (các transducer để biến đổi các giá trị điện áp, dòng từ các biến điện áp, biến dòng, bộ chỉ báo vị trí nấc phân áp về thành tín hiệu dòng có trị số phù hợp với chỉ tiêu kỹ thuật của đầu vào tín iệu tương tự) và các rơ le trung gian để lặp lại trạng thái thiết bị điện (cho mục đích giám sát), các rơ le trung gian để điều khiển các thiết bị điện. - Các modem V.24/V.28, V35 để kết nối các RTU hoặc các Hệ thống tự động hóa đến đường truyền viễn thông (có thể là đường truyền sử dụng hệ thống thông tin quang, hệ thống thông tin vi ba, hệ thống thông tin tải ba) - Và các thiết bị ngoại vi khác. 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. RTU : Không thực hiện các chức năng tại chỗ và thông tin lên trung tâm giám sát và điều khiển từ trung tâm Ở mỗi trạm, RTU chỉ là một thiết bị giao tiếp giữa hệ thống quản lý mạng và các thiết bị đóng cắt. RTU bao gồm nhiều đầu vào/ra, gần như nó không thực hiện các chức năng tại chỗ mà chỉ thông tin đến các trung tâm điều khiển ở xa. RTU và các trung tâm điều khiển tạo nên hệ thống SCADA, để giám sát, điều khiển và quản lý hệ thống điện từ xa bởi sự can thiệp của con người. Nó cung cấp thông tin theo thời gian thực (thông tin tín hiệu tương tự và tín hiệu số) cũng như các thông tin quá khứ cho người vận hành và hỗ trợ người vận hành quyết định việc điều khiển giám sát hiệu quả. CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CẤU HÌNH SCADA CHO HỆ THỐNG TRẠM 110KV SỬ DỤNG RTU 1. Sơ đồ nối điện chính của trạm của trạm biến áp 110kV Hàm Yên, Bắc Quang 1.1. Khái quát Trạm biến áp 110kV Hàm Yên – Bắc Quang hiện có 2 xuất tuyến 110kV: 1 xuất tuyến đi trạm Khánh Hòa 1 xuất tuyến đi trạm Hà Giang Trạm có máy biến áp T1 16MVA - Phía 110kV gồm: + Máy cắt + Dao cách ly. + Chống sét van + Dây dẫn Nhìn chung, các thiết bị 110kV đã quá cũ (trừ máy cắt), khó thao tác, không đảm bảo tiêu chuẩn vận hành lâu dài và cần được thay thế. Mục đích của chương này là nêu những yêu cầu cần thiết đối với thiết bị nhất thứ của một trạm điện được trang bị hệ thống tự động hóa trạm, đồng thời chương này cũng đề xuất giải pháp công nghệ mới cho các thiết bị biến dòng và biến điện áp nhằm đáp ứng yêu cầu đo đếm và bảo vệ ngày càng chính xác qua đó phục vụ tốt hơn trong đo đếm, cũng như trong bảo vệ, do đó ghi nhiễu loạn trên hệ thống sẽ được thể hiện rõ hơn, phục vụ tốt cho các chương trình phân tích hệ thống. Nhờ có các biến dòng và biến điện áp sử dụng công nghệ mới việc định vị sự cố sẽ chính xác, giúp cho công tác tìm kiếm điểm sự cố sẽ nhanh chóng. Một trạm tự động hóa với thiết bị nhất thứ cũng phải tuân theo những nguyên tắc thiết kế chung của một trạm thông thường gồm các thiết bị chính như sau: Máy cắt. Dao cách ly và dao tiếp địa Các biến điện đo lường như Biến điện áp, Biến dòng điện Chống sét. Máy biến áp lực. Để điều khiển đóng cắt các máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, điều khiển nấc phân áp hệ thống SAS có thể sử dụng một trong hai giải pháp: Sử dụng giải pháp cổ điển như thiết bị RTU là sử dụng các đầu ra số (Digital Output) của thiết bị tập trung dữ liệu, kết nối đến các rơ le trung gian lệnh có tiếp điểm song song với tiếp điểm điều khiển các thiết bị trên Thiết bị SCADA cụ thể là RTU được coi là thiết bị nhị thứ, thu thập tín hiệu từ hệ thống đo lường, bảo vệ, điều khiển và tác động nên HT điều khiển của trạm Các dữ liệu trạng thái từ các rơ le trung gian được đưa vào các đầu vào số của RTU, còn các dữ liệu tương tự từ cuộn thứ cấp của máy biến dòng điện và điện áp được đưa vào các bộ biến đổi (tranducer), đầu ra của bộ biến đổi được đưa vào các cổng  đầu vào tương tự của RTU. Tại RTU dữ liệu được số hoá và thông qua kênh truyền (giao thức) gửi về trung tâm điều độ. 1.2. Các tín hiệu của ngăn lộ cấp điện áp 110kV Tín hiệu chỉ vị trí, trạng thái (Đầu vào số): Trạng thái của máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa: Đóng/Cắt. Tín hiệu về vị trí của khóa Local/Remote(Local/Supervise) Các cảnh báo, báo động bao gồm có (Đầu vào số): Khi bảo vệ tác động: Quá dòng, so lệch, chạm đất. Khi máy cắt không sẵn sàng làm việc. Sự cố với rơle bảo vệ. Các giá trị đo lường công suất (Đầu vào tương tự): P, Q. Các lệnh điều khiển đối với máy cắt 110kV (Đầu ra số): Đóng/Cắt. 2. Bảng Datalist DANH MỤC DỮ LIỆU TRẠM 110kV HÀM YÊN BẮC QUANG Kiểu Data ID No Data Type Signal Name Common S/S Bus Bar Bus Bar Feeder Feeder Feeder Feeder Feeder Feeder Transformer Bay Reference (Mark of CB) C11 C12 171 172 173 174 331 431 Analog input kV_1P 1 kV 4 1 1 1 1 kV_3Ph 2 kV 4 1 1 1 1 MW 3 MW 6 1 1 1 1 1 1 MVar 4 MVar 6 1 1 1 1 1 1 Tap_Ch 1 Position 1 1 Temp 2 Temperature 2 2 Tổng số Analog input giám sát 23 1 1 3 3 3 3 3 3 3 Số tín hiệu dự phòng ở RTU 7 Tổng số tín hiệu Analog ở RTU 30 Digital input Bit Fault 1 220/380VAC 1 Fault 1 Battery 1 Fault 1 Power supply 1 Fault 1 48VDC 1 Fault 1 220VDC 1 Fault 1 Communication 1 Alarm1 8 Active Relay1 1 1 1 1 1 1 1 1 Alarm2 4 Active Relay2 1 1 1 1 Trip 12 Main Protection 1 2 2 2 2 1 1 1 Trip 96 1 Transfo Buchloz 1 Alarm 96 1 Transfo Buchloz 1 Trip 26Q 1 Transfo Oil Temp 1 Alarm 26Q 1 Transfo Oil Temp 1 Trip 26W 1 Transfo Winding Temp 1 Alarm 26W 1 Transfo Winding Temp 1 Tổng số Digital Input cho Alarm_Trip: 36 6 2 0 4 4 4 4 2 2 8 Bit CB Open status 8 Circuit Breaker 1 1 1 1 1 1 1 1 CB Close status 8 Circuit Breaker 1 1 1 1 1 1 1 1 LS Open status 12 Line Switch 1 1 2 2 2 2 2 LS Close status 12 Line Switch 1 1 2 2 2 2 2 ES Open status 21 Earth Switch 1 1 4 4 4 4 3 ES Close status 21 Earth Switch 1 1 4 4 4 4 3 Tổng số Digital Input cho CB Status: 82 6 4 14 14 14 14 2 2 12 Tổng số Digital Input giám sát 118 7 Số Digital Input dự phòng ở RTU 42 26 4.3 Tổng số tín hiệu Digital Input ở RTU 160 144 Digital Out Bit CB Open 8 Circuit Breaker 1 1 1 1 1 1 1 1 CB Close 8 Circuit Breaker 1 1 1 1 1 1 1 1 ATC Raise 1 1 ATC Low 1 1 Tổng số Digital Output: 18 2 2 2 2 2 2 2 4 Số Digital Output dự phòng ở RTU 6 Tổng số tín hiệu Digital Output ở RTU   24 Ký hiệu: 171 Hàm Yên 173 Hà Giang cũ 174 Trạm cắt khánh Hoà 172 Hà giang 2 3. Lựa chọn Modun BI, BO, AI, CPU, PSU - CMU 04 có 4 cổng truyền tin nối tiếp 1 cổng internet Bộ nhớ trong 128MB Có khả năng cấu hình, lập trình web server Có thể lập trình bằng PLC - Nguồn PSU 02 Đầu vào: 48 ... 220 VDC Tổng sản lượng 80W, 5VDC: 0A…15 A và 24 VDC: 0 ... 0,7 A Cho phép chạy 2 nguồn cùng lúc 2 PSU 02 + 2 CMU 04 + crack có vai trò là NIM - I/0 (Binary Input Board 23BE21/23) 16 kênh đầu vào nhị phân một module cho tất cả các loại tín hiệu đầu vào nhị phân (chỉ duy nhất, chỉ hai điểm, các giá trị số đo, đếm) điện áp đầu vào 24 ... 60 VDC có cách ly quang - BO (Binary Output Supervision Board 23BA22 ) có phản hồi ( giám sát đầu ra), bản chất là BO ( 23BA20 ) + BI - AI (Analog Input Board 23AE21/23) đầu vào hiện tại + -2 mA, + -5 mA, + -10 mA, + -20 mA điện áp đầu vào + - 2 VDC, 0 ... 20 VDC Dùng lấy cấp tín hiệu đo lường ( chuẩn hóa ) - AO (Analog Output Board 23AA20 ) có 2 kênh - Bộ chuyển đổi quang điện 230K24: có khả năng hỗ trợ chuyển đổi từ các thiết bị nhất thứ về NIM. Chọn ngăn lộ 173-174 của trạm Hàm Yên Bắc Quang ta có bảng dữ liệu sau ( bảng tính thỏa mãn điều kiện dự phòng tối thiểu 20% theo quy định của EVN) Số lượng 173- 174 Số lượng card Dự phòng AI 6 1x23AE21 (8 kênh) 2 BI 42 4x23BE21 ( 16 kênh) 22 BO 4 1x23BA20 (16 kênh) 12 NCC1( A1 trung tâm điều độ Miền Bắc) Từ đó ta có cấu hình như sau: NCC2 ( Dự phòng) PSU 02 PSU 02 CMU 04 CMU 04 AI BI BI BI BI BO Dự phòng