chương 1 nhằm nhấn mạnh các ưu điểm của hệ thống điều khiển trạm biến áp tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850; qua đó, khẳng định sự cần thiết trong việc khảo sát hệ thống này để đáp ứng nhu cầu điều khiển tự động hóa trạm biến áp.1 Hệ thống điều khiển trạm biến áp kiểu truyền thống Hệ thống điều khiển kiểu truyền thống đã được thiết kế và lắp đặt trong các trạm biến áp cao áp từ trước đến nay, với đặc điểm cơ bản là hệ thống bao gồm các thiết bị cơ điện và điện tử được kết nối với nhau qua các mạch điện đơn giản. Cấu trúc phần cứng hệ thống này bao gồm hệ thống thu thập dữ liệu đo lường và điều khiển hai chiều giữa trung tâm điều khiển và các thiết bị nhất thứ (máy biến áp, máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, thiết bị đo lường, .) được trình bày theo sơ đồ nguyên lý ở hình 2. Các chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển kiểu truyền thống bao gồm: − Chức năng đo lường: được thực hiện bằng các thiết bị hiển thị đo đếm và được ghi nhận bằng tay bởi các nhân viên vận hành. − Chức năng giám sát: được thực hiện bằng các bảng đèn báo, thiết bị chỉ thị và được ghi nhận bằng tay và lưu bằng giấy; sự cố được ghi bằng bộ ghi sự cố lắp rời.
− Chức năng bảo vệ: được thực hiện bởi các rơle bảo vệ cơ hoặc rơle tĩnh. Các rơle chỉ thực hiện các chức năng bảo vệ riêng lẻ như bảo vệ quá dòng F50/51, bảo vệ khoảng cách F21, bảo vệ điện áp 27/59, … Chức năng bảo vệ giữa các rơle được phối hợp qua dây dẫn và tiếp điểm trạng thái. − Chức năng liên động: được thực hiện thông qua cáp điều khiển bằng cách gửi các tiếp điểm trạng thái của thiết bị này để cho phép hoặc cấm thao tác các thiết bị khác liên quan. − Chức năng điều khiển tại trạm: được thực hiện bởi các mạch điều khiển riêng lẻ và chỉ có thể thực hiện được ở mức điều khiển cơ bản như đóng/mở thiết bị, bật/tắt chức năng thông qua các nút nhấn hoặc khóa vặn lắp trên tủ điều khiển.
14 Chương 2 − Các hệ thống điều khiển trạm biến áp − Chức năng điều khiển qua SCADA: thực hiện qua các thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) gồm các rơle trung gian và các bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự/số (analog/digital).1 − Cấu trúc hệ thống điều khiển trạm biến áp kiểu truyền thống [5] Hệ thống điều khiển truyền thống mặc dù có những ưu điểm như: đơn giản, dễ thiết kế, chi phí thấp; người vận hành có khả năng tự thao tác và bảo trì, việc kết nối giữa các thiết bị trong cùng hệ thống thực hiện đơn giản qua cáp tín hiệu. Tuy nhiên, hệ thống này bộc lộ các nhược điểm sau: − Hệ thống có quá nhiều thiết bị và cáp tín hiệu, dẫn đến khả năng bị sự cố trên hệ thống nhị thứ rất cao. − Khả năng tự động hóa thấp, các chức năng điều khiển nâng cao vẫn phải thực hiện bởi con người. − Việc thu thập dữ liệu phải thực hiện bằng tay, độ chính xác không cao, khả năng phân tích và xử lý dữ liệu bị hạn chế.
− Việc quản lý rất khó khăn do thiếu các dữ liệu chính xác được cập nhật kịp thời. Chương 2 − Các hệ thống điều khiển trạm biến áp 15 − Việc bảo trì và nâng cấp hệ thống rất khó khăn, mất nhiều thời gian. − Thời gian thao tác chậm, khả năng nhầm lẫn cao do thao tác bằng tay, dẫn đến giảm độ tin cậy và tăng thời gian mất điện khi có sự cố.2 giới thiệu bảng điều khiển và bảng hiển thị kết quả đo lường của hệ thống điều khiển truyền thống. Sơ đồ điều khiển được thể hiện trên bề mặt tủ điều khiển.
Chức năng điều khiển được thực hiện bằng cách vặn khóa tiếp điểm trạng thái. Chức năng hiển thị đo lường thể hiện qua các thiết bị hiển thị bằng kim và có các khóa chọn đại lượng cần đo như các giá trị điện áp pha hay dòng điện pha.2 − Bảng điều khiển (trái) và bảng hiển thị đo lường (phải) của hệ thống điều khiển truyền thống Chức năng giám sát của hệ thống điều khiển truyền thống được thực hiện bằng các ô cảnh báo trên bảng cảnh báo, giới thiệu trên hình 2. Khi có tín hiệu bất thường, các ô đèn tương ứng sẽ sáng kèm theo chuông còi cảnh báo và vận hành viên xác nhận bằng các nút nhấn. 16 Chương 2 − Các hệ thống điều khiển trạm biến áp Hình 2.3 − Bảng giám sát hệ thống điều khiển truyền thống Về tổng thể, sơ đồ với các nút điều khiển được bố trí trên mặt tủ điều khiển.
Tất cả tủ điều khiển được bố trí trong phòng điều khiển nhằm thuận tiện cho vận hành viên điều khiển và giám sát hệ thống. Chính vì vậy, mật độ cáp điều khiển từ các thiết bị về tủ điều khiển và tại phòng điều khiển rất dày đặc. Một hệ thống như vậy sẽ rất khó khăn trong việc mở rộng thêm ngăn lộ hoặc nâng cấp sơ đồ của trạm biến áp hiện hữu.4 giới thiệu phòng điều khiển và hầm cáp của một hệ thống điều khiển truyền thống [6].4 − Phòng điều khiển (trái) và hầm cáp (phải) của một hệ thống điều khiển truyền thống [6] Hệ thống rơle cơ được bố trí tập trung tại phòng điều khiển. Do rơle cơ có chức năng độc lập nên để bảo vệ một ngăn lộ với nhiều chức năng khác nhau, cần nhiều loại rơle khác nhau như F50, F67, F21, … Tất cả các tín hiệu đo lường tương tự (analog) được đấu nối với các rơle cơ và liên kết với nhau bằng cáp đồng điều khiển.
Phối hợp bảo vệ giữa các loại rơle hoặc thực hiện các chức năng như tự động đóng lại (F79), chống hư hỏng máy cắt Chương 2 − Các hệ thống điều khiển trạm biến áp 17 (50BF), … thông qua các rơle trung gian; do đó, xác suất xảy ra sự cố trên mạch nhị thứ rất cao, dẫn đến giảm độ tin cậy cung cấp và truyền tải điện trong hệ thống điện.5 giới thiệu hình ảnh thực tế của hệ thống bảo vệ rơle trong hệ thống điều khiển truyền thống của trạm biến áp 220/110 kV Thủ Đức trước năm 2002.5 − Mặt ngoài (trái) và mặt trong (phải) của hệ thống rơle cơ trong hệ thống điều khiển truyền thống trạm biến áp Thủ Đức trước năm 2002 [6] Tóm lại, hệ thống điều khiển trạm biến áp kiểu truyền thống khá đơn giản trong thiết kế, xây dựng và vận hành. Hiện nay, hệ thống này vẫn được thiết kế và xây dựng cho các trạm biến áp có công suất nhỏ, ít thiết bị hoặc trạm biến áp cho khách hàng tư nhân vì giá thành thấp, dễ vận hành, không đòi hỏi cao về tự động và điều khiển xa. Tuy nhiên, quy mô và độ phức tạp của hệ thống truyền tải hiện nay bao gồm mạng lưới các đường dây và trạm biến áp cao áp ngày một gia tăng với yêu cầu phải nâng cao chất lượng và giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp điện. Với các nhược điểm đã được phân tích, hệ thống điều khiển kiểu truyền thống đã không thể đáp ứng được các yêu cầu trên, dẫn đến sự xuất hiện các hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp, bắt đầu bằng hệ thống không theo tiêu chuẩn IEC 61850, tạm gọi là hệ thống điều khiển tích hợp thế hệ thứ nhất trong cuốn sách này, để phân biệt với hệ thống điều khiển tích hợp thế hệ thứ hai, tức đáp ứng theo tiêu chuẩn IEC 61850.
18 Chương 2 − Các hệ thống điều khiển trạm biến áp 2.2 Hệ thống điều khiển tích hợp không theo tiêu chuẩn IEC 61850 Hệ thống điều khiển tích hợp thế hệ thứ nhất cho trạm biến áp là hệ thống điều khiển dựa trên cơ sở một hệ thống máy tính với những giao thức kết nối dữ liệu từ máy tính đến các thiết bị (nhất thứ và nhị thứ) trong các trạm biến áp nhằm điều khiển, bảo vệ và giám sát tự động các thiết bị trong trạm cũng như tích hợp các dữ liệu vận hành và trạng thái thiết bị vào chung một hệ thống phục vụ công tác quản lý vận hành trạm. So với hệ thống điều khiển truyền thống, hệ thống điều khiển tích hợp này đã thể hiện tính ưu việt trong việc quản lý và vận hành trạm biến áp. Vào những năm đầu thế kỷ 20, các trạm biến áp đã bắt đầu sử dụng các rơle số (rơle điện tử và rơle kỹ thuật số) để thay thế cho các rơle cơ và rơle tĩnh. Các rơle số này dựa trên nền tảng của các bộ vi xử lý và bộ nhớ chứa dữ liệu nên có những chức năng vượt trội so với các loại rơle thế hệ trước đó.
Đây là cơ sở để xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp với tính năng vượt trội so với hệ thống điều khiển truyền thống, cụ thể như: − Chức năng đo lường: được thực hiện bằng các thiết bị đo lường có trang bị các cổng truyền thông, từ đó, cho phép thu thập các thông số đo lường về hệ thống máy tính để lưu trữ. − Chức năng giám sát: thực hiện bằng các Input (đầu vào) của thiết bị giám sát, từ đó kết nối về hệ thống máy tính để gửi cảnh báo lên giao diện người−máy HMI (Human Machine Interface) và lưu thành các file lưu trữ. − Chức năng bảo vệ: sử dụng rơle tích hợp nhiều chức năng; tuy nhiên, việc phối hợp bảo vệ vẫn dựa trên cách tiếp điểm trạng thái thông qua các cổng ngõ vào/ra (I/O) của rơle điện tử hoặc rơle kỹ thuật số. − Chức năng liên động: vẫn phải dùng các tiếp điểm trạng thái để thực hiện, chỉ có các cảnh báo lôgic mềm trên hệ thống máy tính nhằm tránh thao tác nhầm, tuy vậy, vẫn không quản lý chắc chắn liên động thực tế của thiết bị.
− Chức năng điều khiển tại trạm: ngoài khả năng điều khiển bằng tay bắt buộc trong trường hợp khẩn cấp, hệ thống điều khiển tích hợp được trang bị hệ thống máy tính với giao diện HMI để thực hiện thao tác xa từ phòng điều khiển. Tuy nhiên các thao tác này được thực hiện thông qua các bộ lập trình lôgic PLC (Programmable Logic Controller) và các rơle trung gian. − Chức năng điều khiển qua SCADA: trong trạm tích hợp thế hệ thứ nhất vẫn được điều khiển xa từ hệ thống SCADA nhưng qua các tủ Chương 2 − Các hệ thống điều khiển trạm biến áp 19 thiết bị đầu cuối RTU, chưa thể kết nối trực tiếp hệ thống máy tính và hệ thống SCADA vì các hạn chế về giao thức truyền thông.