CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 TỔNG QUAN Các hệ thống điện hiện đại mang đầy đủ các đặc điểm của một hệ thống lớn: rộng lớn về mặt lãnh thổ, phức tạp về cấu trúc, đa mục tiêu, chịu ảnh hưởng mạnh của sự bất định về thông tin. Quá trình sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng xảy ra trong thời gian thực, và sự thay đổi chế độ làm việc của bất kỳ một phần tử nào cũng làm ảnh hưởng đến các phần tử khác trong hệ thống. Mối liên hệ chặt chẽ của các phần tử trong Hệ thống điện thể hiện ở mặt cấu trúc, quan hệ năng lượng và quan hệ thông tin, điều khiển. Hệ thống điện thể hiện dưới dạng cấu trúc phân cấp, bao gồm nhiều hệ thống con, mỗi hệ thống con bao gồm nhiều đối tượng, phần tử.
Hệ thống điện hoạt động theo những quy luật xác định, tại mỗi thời điểm hệ thống ở một trạng thái xác định với một tập hợp tương ứng các trạng thái của các phần tử trong hệ thống. Số lượng các phần tử trong hệ thống điện thường rất lớn, kéo theo số trạng thái có thể phân biệt được của hệ thống cũng rất lớn, vì vậy để thực hiện việc điều khiển hệ thống, thường sử dụng phương pháp chia cắt hệ thống lớn ra thành nhiều hệ thống con. Việc chia cắt có thể được thực hiện hoặc theo lãnh thổ, theo cấp điện áp hoặc theo nhiệm vụ điều khiển (công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện ap, tần số…) Việc điều khiển chế độ làm việc bình thường cũng như xử lý các tính huống sự cố và sau sự cố được thực hiện bằng mạng lưới điều độ hệ thống điện. Các đơn vị điều độ được phân cấp: quốc gia, khu vực, địa phương.
Việc liên hệ giữa các cấp điều độ được thực hiện bằng hệ thống thông tin điện lực, mỗi cấp điều khiển và xử lý các dữ liệu, sắp xếp các thông tin cần thiết cho cấp trên và chuyển đến những địa chỉ cần thiết. Tín hiệu điều khiển (lệnh điều độ) được truyền xuống cấp dưới theo chiều ngược với chiều thông tin dữ liệu, trong một số trường hợp cần thiết có thể truyền đồng thời đến nhiều đối tượng thực hiện khác nhau. Hệ thống điện ngày càng phát triển, thì cấu trúc và nhiệm vụ của hệ thống điều khiển cũng ngày càng phức tạp thêm và lượng thông tin cần xử lý cũng ngày càng tăng. Đến một giai đoạn phát triển nào đó có thể có các yêu cầu, nhiệm vụ điều khiển phát sinh cần ứng dụng không những các phương tiện kỹ thuật mới mà còn đòi hỏi cả các phương pháp điều khiển và phần mềm ứng dụng mới.2 NHIỆM VỤ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN Điều khiển hoạt động của hệ thống điện bao gồm những nhiệm vụ chính sau đây: 10 1.
Bảo vệ các thiết bị cao áp quan trọng; 2. Điều khiển và liên động các thiết bị đóng cắt; 3. Định vị sự cố và ghi chép các thông số quá độ; 4. Hiển thị các thông số, trạng thái vận hành và cảnh báo; 5.
Kiểm tra đồng bộ và hòa đồng bộ; 6. Tự động đóng lại và tự động khôi phục chế độ làm việc bình thường; 7. Cắt tải và điều khiển phụ tải; 8. Tự động điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng; 9.
Tự động điều chỉnh tần số và công suất tác dụng; 10. Thu thập và xử lý dữ liệu, đưa ra các tác động điều khiển. Các nhiệm vụ 1 ÷ 3 được thực hiện bởi hệ thống thiết bị bảo vệ, các nhiệm vụ 4 ÷ 10 trong những hệ thống điện hiện đại được thực hiện bởi nhiều thiết bị khác nhau trong một hệ thống điều khiển (hoặc quản lý) cho một đối tượng cụ thể của hệ thống điện. 1: Điều khiển hệ thống điện Tùy theo yêu cầu điều khiển và đối tượng được điều khiển, người ta có thể sử dụng những hợp bộ (hệ thống) thiết bị điều khiển sau đây: - Hệ thống điều khiển nhà máy điện (Plant Control System – PCS) - Hệ thống điều khiển trạm biến áp (Substation Control System – SCS) - Hệ thống điều khiển phụ tải (Load Management System – LMS) - Hệ thống thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu (Supervisory Control And Data Acquisition System – SCADA) 11 - Hệ thống điều khiển quá trình năng lượng (Energy Management System – EMS) - Hệ thống điều khiển phân phối (Distribution Management System – DMS) - Hệ thống quản lý sản xuất kinh doanh (Business Management System – BMS) Các trường hợp điều khiển này có thể được sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp với trong một hệ thống điều khiển thông nhất (Hình 1.
Việc kết hợp này làm tăng độ tin cậy, độ sẵn sàng và khả dụng cuẩ hệ thống điều khiển, đồng thời cũng làm giảm kích thước và diện tích chiếm chỗ của thiết bị điều khiển.3 PHỐI HỢP CÁC CHỨC NĂNG BẢO VỆ VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRONG MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỐNG NHẤT Cấu trúc “truyền thống” của các thiết bị bảo vệ và tự động hóa trong hệ thống điện thường bảo gồm nhiều chủng loại thiết bị riêng lẻ với chức năng và nguyên lý chế tạo khác nhau, từ các thiết bị điện cơ, thiết bị điện tử tĩnh đến các dụng cụ kỹ thuật số và máy tính. Những thiết bị riêng lẻ này hợp thành nhiều hệ thống con theo chức năng và được đấu nối với nhau theo sơ đồ khá phức tạp. Ngay cả khi sử dụng máy tính và thiết bị SCADA vào hệ thống điều khiển, việc kết nối giữa trạm, nhà máy và các trung tâm điều độ cũng đều phải thực hiện thông qua các bộ liên kết đầu cuối từ xa (Remote Terminal Unit – RTU). Đối với các nhà máy điện và trạm biến áp lớn có nhiều phần tử, cấu trúc “truyền thống” của hệ thống điều khiển đòi hỏi rất nhiều thiết bị, dụng cụ và phụ kiện riêng lẻ cũng như số lượng cáp dùng cho đấu nối rất lớn.
Trạm càng lớn thì chi phí về thiết bị, vật liệu, thời gian lắp ráp và bảo hành càng nhiều, đồng thời độ tin cậy của hệ thống điều khiển càng thấp. Những nhược điểm của cấu trúc “truyền thống” thể hiện ở các mặt cụ thể sau: - Chất lượng của hệ thống điều khiển thấp vì nhiều thiết bị khác nhau được sử dụng để thực hiện những chức năng khác nhau, có thể rất đơn giản nhưng cũng có thể rất phức tạp, thường khó chuẩn hóa cho từng đối tượng cụ thể. Độ dự phòng của từng hệ thống con cũng như của mạng lưới điều khiển bị hạn chế, hư hỏng của mỗi phần tử có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy chung của cả hệ thống. - Việc lắp đặt và thử nghiệm tốn nhiều thời gian và công sức.
Các khiếm khuyết, lỗi trong lắp đặt và thử nghiệm là nguyên nhân dẫn đến nhiều hỏng hóc không đáng có trong vận hành. Một số khiếm khuyết, lỗi có thể được phát hiện trong thời gian kiểm tra, nghiệm thu nhưng cũng có nhiều lỗi chỉ có thể được phát hiện sau khi sự cố xảy ra. - Quá trình kiểm tra và bảo dưỡng phức tạp, thường khi bảo dưỡng một thiết bị hoặc một hệ thống con phải can thiệp vào sơ đồ đấu dây. Chẳng hạn khi bảo dưỡng một máy cắt điện thì các mạch điều khiển, bảo vệ, cảnh báo, liên động có liên quan đều phải đưa ra khỏi trạng thái làm việc bình thường.
Ngoài ra việc 12 thử nghiệm, kiểm tra toàn bộ hệ thống điều khiển rất khó thực hiện vì nó liên quan đến một số lượng lớn các phần tử khác. - Khả năng phát triển hạn chế: khi nhà máy hoặc trạm cần phát triển, bổ sung thêm phần tử mới phải thay đổi sơ đồ đấu nối của khá nhiều phần tử liên quan, ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của các phần tử khác, đòi hỏi sự thay đổi sơ đồ đấu nối, lại dẫn đến những nhầm lẫn, khiếm khuyết mới làm tăng khả năng sự cố của hệ thống và tăng thời gian gián đoạn cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ. Để khắc phục những nhược điểm trên, xu thế tập trung các chức năng bảo vệ và tự động hóa vào một hệ thống điều khiển thống nhất cho từng đối tượng (một xuất tuyến, một trạm biến áp, một nhà máy điện, một khu vực hoặc toàn bộ hệ thống) là xu thế phát triển hiện đại được tất cả các nhà chế tạo thiết bị bảo vệ và điều khiển quan tâm hiện nay (Hình 1. Trong các hệ thống điều khiển phối hợp thống nhất hiện đại, các công nghệ kỹ thuật số được sử dụng rộng rãi không những trong việc chế tạo các thiết bị hợp bộ đa chức năng mà còn trong cả việc xây dựng những phần mềm chuyên dụng phục vụ từng nhiệm vụ điều khiển.
Hệ thống điều khiển phối hợp thống nhất có nhiều ưu điểm, có thể được chia thành các ưu điểm ngắn hạn – tức là ưu điểm thể hiện trong giai đoạn xây dựng, lắp ráp và các ưu điểm dài hạn thể hiện trong quá trình vận hành và bảo dưỡng. 2: Hệ thống điều khiển phối hợp Các ưu điểm ngắn hạn gồm có: 13 - Chi phí xây dựng thấp hơn nhờ sử dụng những mô đun phần mềm tiêu chuẩn (thích hợp cho từng đối tượng sử dụng). - Giá thành lắp đặt thấp hơn vì số lượng điểm đấu nối và dây nối ít hơn - Chi phí thử nghiệm và kiểm tra thấp hơn vì các mô đun chức năng đã được kiểm tra trước khi xuất xưởng. - Giá phần cứng thấp hơn nhờ giảm đươc số lượng rơ le bảng điều khiển nhờ sử dụng các hợp bộ bảo vệ vào mục đích đo lường.
- Giảm được kích thước và không gian chiếm chỗ của thiết bị bảo vệ, đo lường và điều khiển. Các lợi ích dài hạn bao gồm: - Chi phi vận hành thấp hơn, có thể truy nhập dữ liệu đến từng phần tử cơ sở (từng đường dây, máy biến áp). - Tăng độ khả dụng nhờ khả năng tự kiểm tra của từng thiết bị riêng lẻ, giảm khả năng sự cố, giảm chi phí xử lý sự cố. - Tăng tuổi thọ thiết bị, có lịch trình bảo quản sửa chữa thiết bị hợp lý trên cơ sở số liệu thống kê trong quá trình vận hành.
Ngoài ra, nhiều chức năng mới và khả năng sử dụng hệ chuyên gia sẽ mang lại nhiều lợi ích khác mà khó có thể đánh giá hết giá trị kinh tế của chúng. Hệ thống điều khiển phối hợp có thể được hình thành và sử dụng từng bước bằng cách đưa dần các thiết bị mới đa chức năng thay thế các thiết bị cũ, ở một giai đoạn nhất định các thiết bị cũ vẫn có thể còn được sử dụng với tư cách dự phòng.