Nghiên cứu công nghệtích hợp để xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát vận hành trạm biến áp từ xa

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ********* PHẠM ĐĂNG THANH NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ TÍCH HỢP ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VẬN HÀNH TRẠM BIẾN ÁP TỪ XA Chuyên ngành: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN Mã số: 60.52.50 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG – 2011 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ******** Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Ngơ Văn Dưỡng Phản biện 1: TS. Trần Tấn Vinh Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Hồng Việt Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng 08 năm 2001 Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hầu hết các trạm biến áp từ cấp điện áp 110kV, 220kV đến 500kV đều được thiết kế và xây dựng theo phương pháp truyền thống, nhân viên vận hành thực hiện thao tác điều khiển thiết bị bằng tay tại tủ bảng trong trạm. Cơng tác vận hành tại trạm theo chế độ cĩ người trực thường xuyên, thời gian thao tác và xử lý sự cố lâu. Quá trình vận hành đã cĩ nhiều nhược điểm như: Quá tải các mương cáp ngồi trời, trong nhà. Qúa tải phịng điều khiển, bảo vệ, khơng cịn đủ khơng gian vị trí để lắp đặt tủ điều khiển cho việc bổ sung ngăn lộ. Hệ thống liên động thiết kế chồng chéo giữa các tủ trung gian làm tăng số lượng cáp. Hạn chế trong việc lưu trữ thống kê thơng số và tình trạng vận hành lâu dài của thiết bị là cở sở phân tích, đánh giá cũng như xác định kế hoạch bảo trì, bảo dưỡng thiết bị… Từ các lý do nêu trên, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu cơng nghệ điều khiển hệ thống điện, các hệ thống tích hợp điều khiển, tự động, thơng tin của các hãng ABB, SIEMENS, AREVA, SEL…, nghiên cứu các phần mềm ứng dụng, từ đĩ xây dựng hệ thống tích hợp điều khiển, giám sát chuyển các trạm biến áp 110kV thiết kế kiểu truyền thống thuộc Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa quản lý thành trạm biến áp tích hợp và cho phép điều khiển, giám sát vận hành từ xa. 2. Mục tiêu và các nội dung nghiên cứu của đề tài Đề tài đặt ra mục tiêu chính là nghiên cứu thiết kế cải tạo và xây dựng chương trình điều khiển, giám sát vận hành cho một số trạm biến áp điển hình của Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa. Để thực hiện mục tiêu, các nội dung chính cần thực hiện như sau: 4 - Nghiên cứu hệ thống điện Việt Nam nĩi chung và hệ thống điện 110kV Tỉnh Khánh Hịa nĩi riêng, hiện trạng về cơng tác điều độ lưới điện, quá trình điều khiển và giám sát vận hành các trạm biến áp. - Xây dựng chương trình kết nối, trao đổi dữ liệu để thực hiện quá trình điều khiển, giám sát vận hành các trạm biến áp từ xa. - Áp dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chương trình điều khiển và giám sát vận hành từ xa cho trạm biến áp 110kV Bán Đảo Cam Ranh thuộc Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài là các trạm biến áp cơng suất nhỏ và các trạm đến cấp điện áp 110kV trên hệ thống điện Việt Nam nĩi chung và Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa nĩi riêng. Nghiên cứu các hệ thống tích hợp điều khiển, tự động, thơng tin của các hãng ABB, SIEMENS, AREVA, SEL về quá trình điều khiển và giám sát dữ liệu vận hành. Nghiên cứu các phần mềm ứng dụng và các giao thức kết nối, trao đổi dữ liệu giữa máy tính và thiết bị ngoại vi. 4. Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau: - Tìm hiểu hiện trạng, thu thập số liệu các trạm biến áp trong hệ thống điện Việt Nam, điển hình là các trạm biến áp thuộc Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa quản lý. - Phân tích đánh giá khả năng ứng dụng cơng nghệ điều khiển để cải tạo, nâng cấp các TBA thiết kế kiểu truyền thống thành hệ thống điều khiển và giám sát vận hành từ xa. 5 - Nghiên cứu cơng nghệ điều khiển và các phần mềm ứng dụng, phân tích lựa chọn cơng nghệ và phần mềm để sử dụng cho đề tài. - Áp dụng xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát vận hành cho một số trạm biến áp điểm hình thuộc Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa. - Xây dựng chương trình điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu vận hành cho TBA 110kV Bán Đảo Cam Ranh. 5. Cấu trúc luận văn Ngồi phần mở đầu, nội dung của đề tài được biên chế thành 4 chương và các phụ lục. Bố cục của nội dung chính của luận văn gồm: Chương 1: Hiện trạng các hệ thống điều khiển và giám sát vận hành của hệ thống điện Việt Nam. Chương 2: Nghiên cứu cơng nghệ hệ thống tích hợp điều khiển, tự động, thơng tin và các phần mềm ứng dụng. Chương 3: Xây dựng chương trình điều khiển và giám sát vận hành cho các trạm biến áp thuộc Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa. Chương 4: Áp dụng xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát vận hành từ xa trạm biến áp 110kV Bán Đảo Cam Ranh. CHƯƠNG 1 HIỆN TRẠNG CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 1.1. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM Do yếu tố lịch sử cũng như địa lý, hệ thống điện Việt Nam được chia thành ba hệ thống điện miền, miền Bắc, miền Trung, miền Nam. 1.2. HIỆN TRẠNG CÁC THIẾT BỊ ĐĨNG CẮT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 6 Hiện nay, các máy cắt sử dụng ở lưới truyền tải chủ yếu là loại máy cắt SF6; các máy cắt khơng khí và máy cắt dầu ở lưới phân phối cũng dần được thay thế bằng các loại mới là máy cắt SF6 hoặc máy cắt chân khơng của các hãng như Alstom, Siemens, Abb, Areva… Các trạm biến áp mới xây dựng gần đây hầu hết được trang bị các thiết bị đĩng cắt, thiết bị bảo vệ, đo lường thế hệ mới và cĩ thể sử dụng cho việc điều khiển và giám sát vận hành tự động. 1.3. CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VẬN HÀNH Song song với các thiết bị nhất thứ, các rơle bảo vệ, hệ thống điều khiển trạm biến áp cũng đã được ứng dụng các cơng nghệ mới, điều khiển tích hợp như hệ thống điều khiển LSA, SICAM SAS của hãng Siemens; Micro SCADA, SCS/SMS của hãng ABB; PACIS của hãng Areva hay @Station của hãng SEL thay thế cho hệ thống điều khiển truyền thống. 1.4. CƠNG TÁC ĐIỀU ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 1.5. KẾT LUẬN - Đối với các trạm biến áp 110kV trên địa bàn tỉnh Khánh Hịa, hầu hết các máy cắt 110kV đều được trang bị máy cắt khí SF6, các dao cách ly đa phần khi sửa chữa thay thế đều cĩ truyền động bằng động cơ, các thiết bị bảo vệ, đo lường cũng dần thay thế bằng thiết bị số, hồn tồn cĩ thể cải tạo, nâng cấp để chuyển thành trạm biến áp tích hợp và thao tác xa. - Hệ thống SCADA kiểu truyền thống thu thập dữ liệu và truyền tin chủ yếu thơng qua RTU là phương pháp kết nối dựa trên nền tảng đường truyền cĩ tốc độ thấp như qua modem dial-up, tải ba, hay các đường truyền dựa trên giao tiếp serial (kênh âm tần giao diện 4W, 7 kênh số liệu giao diện V24-RS232) [8] nên rất hạn chế về nhu cầu dữ liệu điều khiển và giám sát vận hành. - Cơng tác điều khiển và giám sát vận hành đều do nhân viên vận hành thao tác tại chỗ nên thời gian thao tác cũng như thời gian khơi phục khi xảy ra sự cố chậm. Số lượng nhân viên vận hành đơng, rất lãng phí nhân lực, giảm năng suất lao động. Cơng tác lập báo cáo, thống kê cịn nhỏ lẽ, khơng cĩ đủ cơ sở dữ liệu để quyết định kế hoạch bảo dưỡng thiết bị hoặc lập quy hoạch. - Cơng nghệ điều khiển và giám sát vận hành bằng máy tính mặc dầu được sử dụng khá phổ biến ở các nước trên thế giới nhưng cơng nghệ này chưa được áp dụng nhiều ở Việt Nam do cĩ khĩ khăn về kinh phí lẫn cơng nghệ; hầu hết cơng nghệ đã được áp dụng tại các trạm biến áp cĩ xuất xứ từ nước ngồi do đĩ giá thành cao và chuyển giao cơng nghệ cịn gặp nhiều khĩ khăn, khơng làm chủ được cơng nghệ dẫn đến bị động và lúng túng khi xảy ra biến cố nào đĩ trong vận hành cũng như quá trình mở rộng phát triển ngăn lộ trong trạm biến áp. Qua quá trình tìm hiểu và phân tích trên đây tác giả nhận thấy rằng cần phải nghiên cứu xây dựng và đề xuất ứng dụng một cơng nghệ điều khiển tích hợp phù hợp nhất với hệ thống điện Việt Nam và tỉnh Khánh Hịa nĩi riêng. CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỀU KHIỂN, TỰ ĐỘNG, THƠNG TIN VÀ CÁC PHẦN MỀM ỨNG DỤNG 2.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TÍCH HỢP 8 Hệ thống tích hợp trạm trên cơ sở một hệ thống máy tính được sử dụng để tập hợp các hệ thống hoạt động độc lập, chẳng hạn như hệ thống SCADA, thơng tin liên lạc, rơle bảo vệ, điều khiển thiết bị điện, đo lường, báo sự cố, điều khiển tự động hệ thống phân phối, đưa vào một hệ thống lưu trữ dữ liệu, điều khiển và giám sát thống nhất trong trạm. 2.2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP 2.2.1. Giao diện người dùng Phần mềm hiển thị các cửa sổ thơng tin mà từ đĩ các kỹ thuật viên, nhân viên vận hành cĩ thể sử dụng để vận hành hệ thống. Các cửa sổ thơng tin được phân thành lớp, càng vào sâu thơng tin cung cấp càng chi tiết đáp ứng nhu cầu vận hành tại trạm [7], [10]. 2.2.1.1. Các màn hình hiển thị sơ đồ một sợi trạm 2.2.1.2. Các màn hình hiển thị giá trị đo 2.2.1.3. Các màn hình cảnh báo 2.2.2. Kho dữ liệu 2.2.2.1. Cơ sở dữ liệu trực tuyến 2.2.2.2. Cơ sở dữ liệu quá khứ 2.2.3. Máy tính chủ của trạm Sau khi nghiên cứu cấu trúc hệ thống tích hợp trạm biến áp, tác giả cĩ thể tĩm tắt nguyên lý kết nối thành 3 bộ phận chính như hình 2.4. Hình 2.4. Nguyên lý kết nối cơ bản hệ thống tích hợp Máy tính Xử lý dữ liệu Thiết bị ngoại vi 9 - Máy tính là một hệ thống các máy tính như: máy tính giao diện người dùng để thu thập các giá trị tương tự (analog) và các thay đổi trạng thái trong tần suất thu thập dữ liệu theo quy trình vận hành bao gồm dữ liệu từ tất cả các ngăn máy cắt đường dây, máy biến áp, tụ, phân đoạn và các rơle bảo vệ, thiết bị đo lường…, cho phép người vận hành truy cập điều khiển thiết bị và giám sát thơng số vận hành; máy tính để tinh chỉnh, cấu hình hệ thống và lập báo cáo; máy tính lưu trữ dữ liệu tại chỗ gồm các dữ liệu quá khứ mà cĩ thể truy cập qua giao diện SQL, ODBC…, cĩ các cơng cụ để xuất dữ liệu ra dạng file văn bản theo chuẩn ASCII, Microsoft Excel hoặc các định dạng cần thiết khác. - Xử lý dữ liệu là các thiết bị đo lường, bảo vệ hoặc khối xử lý cấp ngăn BCU (Bay Control Unit), liên kết qua hệ thống mạng với khối xử lý cấp trạm RTU (Remote Terminal Unit) hoặc liên kết trực tiếp đến máy tính chủ của trạm. Khối xử lý dữ liệu kết nối trực tiếp đến các thiết bị ngoại vi (máy cắt, dao cách ly, biến điện áp, biến dịng điện…) chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, tiếp nhận thơng tin và gửi tín hiệu trao đổi giữa máy tính và thiết bị ngoại vi thơng qua cổng giao tiếp (RS232, RS485, Ethernet…) - Thiết bị ngoại vi là các thiết bị nhất thứ như các tủ máy cắt hợp bộ kèm biến dịng điện, biến điện áp trong nhà; máy cắt, dao cách ly, máy biến dịng điện, máy biến điện áp ngồi trời…. 2.3. CÁC KÊNH TRUYỀN THƠNG Sau khi nghiên cứu, tìm hiểu các kênh truyền thơng, để thực hiện việc đo lường và điều khiển xa ta cĩ thể sử dụng các hệ thống truyền tin sau đây [5], [15]. 2.3.1. Hệ thống thơng tin sĩng vơ tuyến 10 2.3.2. Hệ thống thơng tin sĩng vi ba 2.3.3. Hệ thống thơng tin tải ba 2.3.4. Hệ thống cáp quang điện lực 2.3.5. Hệ thống leased – line thuê bao riêng. 2.3.6. Hệ thống Internet ADSL/IP 2.3.7. Hệ thống di động GPRS, CDMA 2.4. CÁC GIAO THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU PHỔ BIẾN Sau khi nghiên cứu các giao thức truyền dữ liệu giữa các thiết bị IED của các hãng sản xuất thiết bị, tác giả nhận thấy cĩ các dạng giao thức truyền dữ liệu như sau [15], [16]. 2.4.1. Giao thức IEC60870-5-101 2.4.2. Giao thức IEC60870-5-104 2.4.3. Giao thức DNP3.0 2.4.4. Giao thức Modbus Serial/TCP 2.4.5. Giao thức ICCP/TASE.2 2.4.6. Giao thức IEC61850 2.5. BẢO VỆ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRẠM THEO IEC61850 2.5.1. Tổng quan Về cơ bản các thiết bị trong TBA được chia thành 2 loại: thiết bị sơ cấp và thiết bị thứ cấp. Các thiết bị sơ cấp bao gồm: máy biến áp, máy cắt, dao cách ly. Các thiết bị thứ cấp bao gồm: thiết bị bảo vệ, điều khiển, đo lường và các thiết bị thơng tin. Theo tiêu chuẩn IEC 61850, các thiết bị thứ cấp của TBA được sắp xếp theo 3 mức: mức trạm (Station Level), mức ngăn lộ (Bay Level) và mức quá trình (Process Level). 2.5.2. Phân bố logic của các chức năng và giao diện. 11 Các chức năng của hệ thống trạm tích hợp bao gồm ba mức khác nhau: Mức trạm, mức ngăn lộ và mức quá trình.
Mức quá trình (Process Level) là tất cả các tính năng giao diện để xử lý. Những chức năng này truyền thơng qua giao diện logic 4, 5 đến mức ngăn lộ.
Mức ngăn (Bay/Unit Level) là các chức năng sử dụng dữ liệu của một ngăn và tác động đến thiết bị nhất thứ của ngăn đĩ. Những chức năng này truyền thơng qua giao diện logic 3 bên trong mức ngăn và giao diện logic 4, 5 đến mức quá trình.
Mức trạm (Station Level) cĩ hai loại: Quá trình liên kết các chức năng mức trạm (Process related station level functions) là các chức năng sử dụng dữ liệu của nhiều ngăn hoặc của tồn trạm, tác động đến thiết bị nhất thứ của ngăn đĩ hoặc của tồn trạm. Các chức năng này truyền thơng chủ yếu qua giao diện logic 8. Giao diện liên kết các chức năng mức trạm (Interface related station level functions) là các chức năng biểu diễn giao diện của hệ thống tích hợp tới người vận hành trạm HMI (Human Machine Interface), trung tâm điều khiển xa TCI (TeleControl Interface). Những chức năng này truyền thơng qua giao diện logic 1, 6 tới mức ngăn và qua giao diện logic 7 ra bên ngồi. 12 Hình 2.7. Mơ hình các giao diện và các chức năng của hệ thống tích hợp Hình 2.8. Cấu hình truyền thơng cơ bản hệ thống trạm tích hợp với giao thức IEC61850 13 2.5.3. Nút logic và liên kết logic 2.5.3.1. Khái niệm Đối tượng chính của tiêu chuẩn IEC61850 là thiết kế hệ thống thơng tin cĩ khả năng cung cấp sự tương đồng giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau, để phối hợp thực hiện cùng một chức năng. Trên cơ sở đĩ, mơ hình dữ liệu đối tượng của tiêu chuẩn sẽ chia các chức năng của trạm thành những chức năng con, những chức năng con này được định nghĩa là các nút logic (Logical Nodes –LNs). Các nút logic được liên kết bởi các kết nối logic (Logical Connections-LCs) để trao đổi riêng dữ liệu giữa các nút. Hình 2.9. Nút logic và liên kết Một nút logic được xác định bởi chức năng (Function-F) và thiết bị vật lý (Physical Device-PD). Các nút logic được liên kết với nhau bởi các kết nối logic (LC). Liên kết giữa các thiết bị với nhau bằng các liên kết vật lý (Physical Connections-PC). Thiết bị vật lý PDs cĩ thể bao gồm một số thiết bị logic khác nhau, kèm theo đĩ thiết bị vật lý sẽ được xác định bằng một địa chỉ mạng (IP address) cụ thể. Tập hợp các nút logic trong IEC61850 bao gồm: các nút logic chức năng bảo vệ, các nút logic điều khiển, nút logic thiết bị vật 14 lý, an tồn thiết bị và hệ thống, các nút logic thiết bị nhất thứ xem phụ lục 3. 2.5.3.2. Ứng dụng nút logic 2.6. KẾT LUẬN Với giải pháp xây dựng trạm tích hợp hiện nay theo quy định IEC61850, cĩ ưu điểm của chuẩn truyền thơng TCP/IP Enternet, giao thức IEC 61850 cĩ hiệu năng làm việc cao, xử lý thơng tin đạt tốc độ 100Mbps và đơn giản trong việc thực hiện kết nối trên mạng LAN giữa máy tính, các thiết bị điện tử thơng minh và modem truy cập từ xa. Do đĩ cần thiết phải xây dựng hệ thống tích hợp điều khiển và giám sát vận hành trạm biến áp theo cơng nghệ mới và thực hiện thao tác xa. Cĩ thể tĩm lược lợi ích của việc xây dựng trạm tích hợp ở hai mặt thiết kế và quản lý vận hành. CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT VẬN HÀNH CHO CÁC TBA THUỘC CƠNG TY CỔ PHẦN ĐIỆN LỰC KHÁNH HỊA 3.1. NGUYÊN TẮC CHUNG XÂY DỰNG CÁC TRẠM BIẾN ÁP TRUYỀN THỐNG THÀNH TBA ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP - Giữ nguyên các thiết bị nhất thứ như Máy biến áp, máy cắt, dao cách ly, máy biến điện áp, máy biến dịng điện, các tủ máy cắt hợp bộ. Ngoại trừ một số TBA cĩ dao cách ly khơng cĩ động cơ truyền động thì phải thay mới hoặc bổ sung cĩ động cơ truyền động cho mục đích điều khiển xa. - Giữ nguyên các thiết bị đo lường bảo vệ cĩ cổng truyền thơng với các giao thức tương thích UCA2, Modbus TCP, DNP TCP, IEC 870- 15 5-103, IEC 870-5-104, IEC 61850. Các giao thức khác riêng theo Nhà sản xuất, nếu cĩ sự hổ trợ chuyển đổi giao thức của Nhà sản xuất cũng cĩ thể sử dụng lại. - Bổ sung các RTU mức ngăn và thiết kế đi dây liên kết giữa RTU mức ngăn và các thiết bị đo lường bảo vệ cĩ các giao thức nĩi trên. - Bổ sung RTU mức trạm và liên kết với các RTU mức ngăn. - Thiết lập cấu hình các thiết bị đo lường bảo vệ, RTU mức ngăn, RTU mức trạm và lập trình kết nối. - Bổ sung các thiết bị chuyển đổi dịng, áp, cơng suất nếu cần thiết. - Xây dựng chương trình HMI để giám sát và điều khiển thiết bị tại từng trạm. - Thiết lập cơ sở dữ liệu quá khứ để lưu các dữ liệu vận hành và các sự kiện. - Khảo sát sơ đồ mạng WAN hiện cĩ của Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa (phục vụ viễn thơng ngành điện) và bổ sung một số thiết bị cần thiết (cáp quang ADSS, modem quang…) để xây dựng thành mạng WAN hồn chỉnh và liên kết dữ liệu vận hành các TBA 110kV nĩi trên về Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa. 3.2. MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN RÀNG BUỘC KHI THAO TÁC THIẾT BỊ 3.3. XÂY DỰNG THUẬT TỐN THU THẬP DỮ LIỆU VÀ GIÁM SÁT VẬN HÀNH TRẠM BIẾN ÁP 16 Hình 3.2. Sơ đồ thuật tốn giám sát vận hành TBA 3.4. XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN THAO TÁC THIẾT BỊ ĐĨNG CẮT 3.4.1. Sơ đồ thuật tốn chung Sai Bắt đầu Sơ đồ giao diện người dùng (HMI) OPC Server nhận giá trị từ IEDs OPC Client nhận giá trị từ OPC Server Gán giá trị cho biến trạng thái Hiển thị giá trị và trạng thái lên giao diện người dùng HMI Lưu dữ liệu quá khứ Cảnh báo và kết thúc Tiếp tục Đúng 17 3.4.2. Sơ đồ logic khống chế quá trình thao tác và tự động điều khiển thao tác sửa chữa thiết bị trạm biến áp 110kV Suối Dầu 3.4.2.1. Sơ đồ logic khống chế quá trình thao tác tránh thao tác nhầm Hình 3.3: Sơ đồ thuật tốn khống chế điều khiển thao tác Bắt đầu Lệnh thao tác đĩng cắt (HMI) Quét các biến Tag trạng thái Kiểm tra sơ đồ thiết bị Điều kiện logic ràng buộc Cảnh báo&hướng dẫn thao tác Xác nhận thao tác (Yes/No) Tiếp tục Kết thúc Sai Đúng Sai 18 3.4.2.2. Sơ đồ điều khiển tự động thao tác để sửa chữa thiết bị 3.4.2.3. Sơ đồ điều khiển tự động thao tác để phục hồi thiết bị 3.4.3. Sơ đồ logic khống chế quá trình thao tác và tự động điều khiển thao tác sửa chữa thiết bị trạm biến áp 110kV Bán Đảo Cam Ranh; TBA 110kV Diên Khánh. 3.5. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VẬN HÀNH CÁC TRẠM BIẾN ÁP 110KV ĐIỆN LỰC KHÁNH HỊA. Trên cơ sở các sơ đồ logic, các yêu cầu về giám sát dữ liệu vận hành ở trên, tác giả xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát vận hành cho các trạm biến áp 110kV thuộc Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa quản lý như hình 3.6. Phần mềm đã xây dựng cho TBA 110kV Suối Dầu, Diên Khánh và TBA 110kV Bán Đảo Cam Ranh. Đối với TBA 110kV Suối Dầu, Diên Khánh được mơ phỏng bằng dữ liệu được tạo ra trên máy tính và khơng cĩ kết nối với thiết bị bên ngồi. Đối với TBA 110kV Bán Đảo Cam Ranh được thiết kế kết nối điều khiển và giám sát trên thiết bị thực tế tại trạm. Hình 3.6. Màn hình tổng quát chương trình điều khiển 19 3.5.1. Trạm biến áp 110kV Suối Dầu 3.5.1.1. Giám sát vận hành và khống chế quá trình thao tác 3.5.1.2. Tự động điều khiển thao tác và phục hồi thiết bị 3.5.1.3. Cơ sở dữ liệu cảnh báo vận hành 3.5.1.4. An ninh hệ thống 3.5.2. Trạm biến áp 110kV Diên Khánh 3.6. KẾT LUẬN Tác giả đã xây dựng được các sơ đồ thuật tốn giám sát vận hành, sơ đồ thuật tốn khống chế tránh thao tác nhầm, sơ đồ thuật tốn tự động điều khiển quá trình thao tác khi cần kiểm tra sửa chữa thiết bị và các sơ đồ logic thực hiện trình tự thao tác phục hồi thiết bị, từ đĩ xây dựng được phần mềm điều khiển và giám sát vận hành cho các trạm biến áp 110kV của Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa. Với cơng nghệ hiện nay, các thiết bị đo lường, điều khiển, bảo vệ tại các trạm biến áp đều hỗ trợ các giao thức truyền thơng khác nhau theo mỗi hãng như UCA2, Modbus TCP, DNP TCP, IEC 870- 5-103, IEC 870-5-104, IEC 61850 rất thuận lợi cho việc cải tạo bổ sung các BCU, RTU kết nối thiết bị và xây dựng chương trình điều khiển, giám sát vận hành theo quy định IEC và ứng dụng thực tiễn cho các trạm biến áp. CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VẬN HÀNH TỪ XA TBA 110KV BÁN ĐẢO CAM RANH 4.1. TÌNH TRẠNG THIẾT BỊ CỦA TBA 110KV BÁN ĐẢO CAM RANH 4.2. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP 20 Trên cơ sở tài liệu thiết bị [13, 16, 17] và khảo sát tại trạm, tác giả thiết kế cải tạo TBA 110kV Bán Đảo Cam Ranh thành TBA điều khiển tích hợp như sau: - Bổ sung thiết bị điều khiển tự động phân tán mức ngăn loại Micom C264 để kết nối và thu thập dữ liệu từ các rơle bảo vệ. - Bổ sung thiết bị RTU Micom C264 làm nhiệm vụ xử lý tín hiệu chung, giám sát và điều khiển vận hành từ xa. - Thiết kế và nối dây liên kết các IED thành hệ thống. - Xây dựng chương trình điều khiển và giám sát vận hành trên hệ thống máy tính. - Thiết kế bổ sung hệ thống IP CAMERA thực hiện chức năng quan sát từ xa TBA. - Xây dựng hệ thống bảo mật, đảm bảo khơng bị xâm nhập từ mạng Internet bên ngồi. 4.2.1. Thiết bị Micom C264 4.2.2. Sơ đồ nguyên lý kết nối hệ thống Hệ thống cho phép thực hiện hai chức năng: Giám sát dữ liệu vận hành, trạng thái thiết bị và điều khiển thao tác các thiết bị trong trạm biến áp. 4.2.3. Dữ liệu vận hành 4.2.3.1. Ngăn đường dây 171 Bán đảo Cam Ranh đi Suối Dầu 4.2.3.2. Ngăn đường dây 172 Bán đảo Cam Ranh đi Cam Ranh 4.2.3.3. Ngăn MBA 110/22kV-25MVA 4.2.4. Phần mềm điều khiển Phần mềm điều khiển và giám sát vận hành cho trạm biến áp 110kV Bán Đảo Cam Ranh với cơ sở dữ liệu kết nối trực tiếp đến thiết bị đang vận hành. Các thơng số vận hành được lấy theo giá trị 21 thời gian thực và được lưu trữ trên máy tính tại trạm trong cơ sở dữ liệu quá khứ của phần mềm. Hình 4.11. Màn hình chương trình điều khiển và giám sát vận hành trạm biến áp 110kV Bán Đảo Cam Ranh Hình 4.12. Điều khiển và giám sát thơng số vận hành ngăn lộ 171 4.3. ĐIỀU KHIỂN XA TRẠM BIẾN ÁP 110KV BÁN ĐẢO CAM RANH Hệ thống đường truyền cho mục đích giám sát, điều khiển, thu thập dữ liệu vận hành trạm biến áp 110kV Bán Đảo Cam Ranh dùng chung hệ thống mạng WAN dùng cho kinh doanh viễn thơng điện 22 lực hoặc đầu tư riêng biệt. Ở đây để giảm chi phí đầu tư, tác giả chọn giải pháp đường truyền dùng chung hệ thống WAN (mạng cáp quang) kinh doanh viễn thơng điện lực và để đảm bảo tính bảo mật tác giả lựa chọn thiết bị mạng cĩ khả năng phân luồng tín hiệu riêng cho vận hành hệ thống điện đảm bảo truyền thơng nhanh và tin cậy. Hình 4.15. Sơ đồ nguyên lý kết nối thơng tin trạm biến áp 110kV Bán Đảo Cam Ranh với mạng viễn thơng Điện lực Khánh Hịa. 4.4. KẾT LUẬN Chương trình được xây dựng đáp ứng được các tiêu chuẩn, phù hợp với yêu cầu quản lý vận hành thực tiễn và cĩ khả năng chạy trên các hệ điều hành thơng dụng được chấp nhận rộng rãi trong cơng nghiệp như hệ điều hành của Microsoft Windows từ XP trở đi cho các máy trạm và Windows Server 2003 trở đi cho các máy chủ. Tác giả đã thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp cho trạm biến áp 110kV Bán Đảo Cam Ranh trên cơ sở tận dụng đối đa các thiết bị đo lường, bảo vệ hiện cĩ, đảm bảo tuân thủ các tiêu 23 chuẩn chính thức và thực tiễn được chấp nhận rộng rãi trong cơng nghiệp. Cho phép người quản lý vận hành cĩ thể tự mở rộng chương trình khi bổ sung các ngăn hoặc kết cấu trạm thay đổi theo nhu cầu phát triển của hệ thống. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua tìm hiểu thực trạng thiết bị tại các trạm biến áp cĩ cấp điện áp đến 110kV thuộc hệ thống điện Việt Nam nĩi chung và Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa nĩi riêng cho thấy: - Các thiết bị trong trạm thiếu tính đồng bộ và tồn tại nhiều chủng loại khác nhau, vẫn cịn một số dao cách ly truyền động đĩng cắt bằng tay. - Hiện tại, cơng tác điều khiển và giám sát vận hành đều do nhân viên vận hành thao tác tại chỗ theo lệnh từ các Trung tâm điều độ theo phân cấp thiết bị, do đĩ thời gian thao tác xử lý sự cố chậm và số lượng nhân viên vận hành đơng. Hiện nay trên thế giới cơng nghệ điều khiển và giám sát vận hành hệ thống điện bằng máy tính (Computer guide) đã được sử dụng rộng rãi. Ở Việt Nam cũng đang được sử dụng tại các trạm biến áp và nhà máy điện cơng suất lớn, tuy nhiên do tồn bộ cơng nghệ và thiết bị phải mua từ nước ngồi nên vốn đầu tư lớn, do đĩ khơng thể triển khai thực hiện cho tồn bộ hệ thống điện. Trên cơ sở nghiên cứu cơng nghệ điều khiển tích hợp và các thiết bị hiện cĩ của các trạm biến áp cĩ cấp điện áp đến 110kV cho thấy, hồn tồn cĩ thể cải tạo nâng cấp thành các trạm biến áp tích hợp với chi phí thấp và phù hợp với điều kiện thực tế của các cơng ty phân phối điện năng. 24 Đề tài luận văn đã tập trung nghiên cứu cấu trúc của các hệ thống điều khiển tích hợp, các kênh thơng tin, các giao thức kết nối và trao đổi dữ liệu giữa máy tính với thiết bị ngoại vi, nghiên cứu các phần mềm điều khiển đang được sử dụng. Từ đĩ đề xuất được giải pháp cải tạo nâng cấp các trạm biến áp đang quản lý vận hành thao tác bằng tay thành trạm biến áp điều khiển tích hợp, cụ thể như sau: - Giữ nguyên các thiết bị đĩng cắt cĩ thể điều khiển xa và các thiết bị bảo vệ đo lường cĩ cổng truyền thơng với giao thức kết nối IEC 60870-5-103, giao thức Modbus phù hợp thiết kế trạm tích hợp. - Thay thế một số dao cách ly đĩng cắt bằng tay bằng các dao cách ly truyền động đĩng cắt bằng động cơ điện. - Bổ sung các BCU mức ngăn và thiết kế đi dây liên kết giữa BCU mức ngăn với các thiết bị đo lường, bảo vệ thuộc ngăn lộ đĩ. Bổ sung RTU mức trạm và liên kết với các BCU mức ngăn. Thiết lập cấu hình các thiết bị đo lường bảo vệ, cấu hình BCU mức ngăn, RTU mức trạm và lập trình kết nối. - Khảo sát thực tế sơ đồ trạm để xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát vận hành. Cài đặt phần mềm này cho máy tính trạm và máy tính tại các Trung tâm điều độ để quản lý vận hành trạm biến áp từ xa. Áp dụng kết quả nghiên cứu đề tài luận văn đã xây dựng được phần mềm điều khiển và giám sát vận hành cho trạm biến áp 110kV Bán đảo Cam Ranh. Phần mềm cĩ các chức năng chính như sau: - Khống chế quá trình điều khiển thao tác đĩng cắt thiết bị tránh thao tác nhầm. Khi nhận được lệnh thao tác, phần mềm sẽ kiểm tra các điều kiện ràng buộc an tồn, nếu đảm bảo thì sẽ truyền tín hiệu 25 thực hiện lệnh thao tác, nếu khơng đảm bảo sẽ hiển thị cảnh báo và hướng dẫn cách xử lý. - Quan sát trạng thái hệ thống, nếu phần mềm được cài đặc trên máy tính cĩ kết nối với các thiết bị trong trạm thì sẽ liên tục cập nhật thơng tin trạng thái thiết bị và thơng số vận hành của hệ thống để hiển thị lên màn hình máy tính theo thời gian thực (online), giúp cho nhân viên vận hành cĩ thể giám sát trạng thái hệ thống đang vận hành thực tế. - Tự động thực hiện tuần tự thao tác cơ lập thiết bị để bảo dưỡng, sửa chữa hoặc đĩng điện lại thiết bị. Khi nhận được lệnh cần cơ lập để sửa chữa một thiết bị, phần mềm sẽ kiểm tra trạng thái thực tế đang vận hành thơng qua kênh thơng tin thu thập trực tuyến của thiết bị kết nối, phần mềm sẽ tự động điều khiển trình tự thao tác cắt các thiết bị theo phiếu thao tác phù hợp trong thực tế (đã được cập nhật trong cơ sở dữ liệu của phần mềm). - Các dữ liệu vận hành (trạng thái, thơng số vận hành, các cảnh báo, trạng thái đăng nhập người vận hành....) được lưu trữ cơ sở dữ liệu quá khứ, cĩ thể truy vấn khi cần thiết. Sử dụng các giải pháp đã đề xuất và phần mềm điều khiển giám sát vận hành trạm biến áp, đề tài đã xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát vận hành từ xa cho trạm biến áp 110kV Bán đảo Cam Ranh thuộc Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa. Hệ thống sau khi được thiết lập cho phép người vận hành cĩ thể giám sát vận hành trạm biến áp trực tiếp trên máy tính tại trạm hoặc tại Phịng điều độ Cơng ty CP Điện lực Khánh Hịa, đồng thời cũng cĩ thể giám sát trực tiếp trên bất kỳ máy tính nào cĩ kết nối mạng Internet. Nếu xây dựng các 26 chuẩn bảo mật và phân quyền quản lý đảm bảo điều kiện an ninh, cho phép người vận hành giám sát, điều khiển thao tác từ xa. Với kết quả như trên, tác giả kiến nghị: - Để giảm chi phí đầu tư phù hợp với các trạm biến áp đến cấp điện áp 500kV trong hệ thống điện Việt Nam nên ứng dụng cơng nghệ tích hợp để xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát vận hành, các hệ thống này được thiết kế lắp đặt trong nước để sử dụng phù hợp với điều kiện kinh tế và khả năng làm chủ cơng nghệ cũng như xử lý kịp thời các tồn tại cơng nghệ trong quá trình vận hành. - Để thực hiện giám sát, điều khiển vận hành từ xa tại các Trung tâm Điều độ hệ thống điện Miền và tại các Cơng ty Điện lực ngồi việc xây dựng hệ thống cáp quang riêng (dây cáp quang treo trên dây chống sét loại OPGW) thường chi phí đầu tư lớn ảnh hưởng đến tính kinh tế của dự án khi thực hiện đầu tư, hiện nay tất cả các đơn vị trong ngành điện đều đã được kết nối với nhau trong một hệ thống mạng cáp quang (mạng WAN chung của EVN phục vụ viễn thơng cơng cộng, truyền dữ liệu kinh doanh giữa các Điện lực, Internet, hội nghị truyền hình,..) hồn tồn cĩ thể sử dụng để vận hành hệ thống điện. Giao thức kết nối là IEC60870-5-101 hoặc IEC60870-5-104 đúng theo quy định ngành điện. Tuy nhiên cũng cần xem xét đến việc xây dựng các chuẩn bảo mật để vận hành an tồn hệ thống điện.