Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN § 1. KHÁI QUÁT CHUNG Khả năng thực hiện các hoạt động tại một trạm điện không có nhân viên kỹ thuật, gọi là trạm không người trực được thực hiện từ Trung tâm điều độ địa phương hoặc từ Trung tâm điều độ vùng/miền. Điều đó tiết kiệm được rất nhiều chi phí trong quản lý, vận hành hệ thống điện (HTĐ), nhưng tất yếu phải dảm bảo các hoạt động được thực hiện tin cậy, chính xác theo yêu cầu. Thật vậy, trong HTĐ cần có các thao tác như đóng mở máy cắt, dao cách ly, theo dõi đọc số liệu từ xa,…nhưng chi phí để duy trì nhân viên tại chỗ tỏ ra không hợp lý, ngoai ra việc xử lý chậm trễ của nhân viên kỹ thuật khi xảy ra sự có thể kéo dài thêm thời gian khắc phục sự cố và làm giảm chất lượng phục vụ khách hàng.
Hơn nữa chi phí duy trì nhân viên vận hành tại chỗ sẽ càng tăng cao khi thực hiện các thao tác đóng cắt, điều này làm cho chi phí đó trở nên không kinh tế. Đây là những nguyên nhân chủ yếu làm cho các hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu, gọi tắt bằng tiếng anh là SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition system) phát triển trong hệ thống. Thiết bị điều khiển từ xa các thiết bị điện đã được sử dụng trong nhiều năm gần đây và nhu cầu về thông tin cũng như điều từ xa dẫn đến sự phát triển các hệ thống thiết bị có khả năng thực hiện các thao tác, kiểm soát chúng và báo cáo lại với Trung tâm điều độ các thao tác điều khiển theo yêu cầu đã thực hiện có kết quả; đồng thời cũng cần thông báo các thông tin quan trọng khác như các thông số vận hành của lưới điện như dòng điện, điện áp, công suất, tần số tới Trung tâm điều độ. Ban đầu một hệ thống như vậy phụ thuộc vào nhiều đường dây thông tin liên lạc truyền tín hiệu giám sát, điều khiển.
Thế hệ đầu của hệ thống SCADA không thể đáp ứng được với việc thực hiện nhiều thao tác điều khiển, nhưng với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh 9 Downloaded by Nguy?n Thu Trang (thutrangluna1803@gmail.com) lOMoARcPSD|17633278 vực thông tin ngày nay các thao tác điều khiển, giám sát trong hệ thống SCADA là rất lớn khi thực hiện các mệnh lệnh từ Trung tâm điều độ. Hiện nay tại các Trung tâm điều độ miền Bắc, Trung, Nam, Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia và hầu hết các trạm biến áp từ cấp điện áp 110 kV trở lên ở nước ta đều được trang bị hệ thống SCADA. Hệ thống này rất có hiệu quả trong giám sát, điều khiển vận hành HTĐ. SỰ PHÂN CẤP QUẢN LÝ CỦA HỆ THỐNG SCADA Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với một hệ thống công nghiệp bất kỳ.
Đối với HTĐ, đặc thù của nó là quy mô của hệ thống sản xuất rất lớn, trải trên một không gian rộng, và bao gồm nhiều phần tử, thiết bị với các chức năng, nguyên lý làm việc khác nhau, đó đó việc sử dụng một hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhiệm hết tất cả các chức năng giám sát và điều khiển là hết sức phức tạp. Chính vì vậy tùy theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng giám sát, điều khiển mà các chức năng giám sát, điều khiển và thu thập số liệu được phân phối và phân cấp cho các thiết bị khác nhau. Hệ thống SCADA cho hệ thống hợp nhất, với một công ty điện lực chịu trách nhiệm quản lý, thông thường được chia thành ba cấp cơ bản như sau đây: 1. Cấp thứ nhất Cấp thứ nhất của hệ thống SCADA, các phần tử có chức năng giám sát các thông số vận hành của lưới, điều khiển ra lệnh cho các phần tử đóng cắt, ghi chụp phân tích các sự cố xảy tra trên lưới , đó là rơ le bảo vệ kỹ thuật số DR (Digital Relay), bộ ghí sự có FR (Fault Recorder), đồng hồ kỹ thuật số đa chức năng DMM (Digital Multi-function Metter), các bộ biến đổi công suất, dòng điện, điện áp, tần số (Transducer)….Khi xảy ra sự cố, các rơ le tính toán và tác động theo thông số chỉnh định đã được cài đặt mà không cần liên lạc với hệ thống cấp trên.
Ngoài ra các phần tử thuộc cấp này còn có chức năng thu thập số liệu, thông số vận hành ở các chế độ bình thường của HTĐ để gửi lên các máy tính điều khiển mức trạm (Substation Server ) hoặc các thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit). Trong các hệ thống hiện đại, các phần tử này được gọi chung là thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligen Electronic Devieces), chúng có các nguyên lý làm việc và chức năng khác nhau, nhưng có cùng chuẩn giao tiếp (Protocol), cho 10 Downloaded by Nguy?n Thu Trang (thutrangluna1803@gmail.com) lOMoARcPSD|17633278 phép IED này có thể nói chuyện được với các IED khác trong cùng trạm ( peer to peer) và trao đổi với Điều khiển trạm SS (Substation Server) hoặc RTU. Về nguyên tắc sự hỏng hóc hay bảo trì tại một IED sẽ không làm ảnh hưởng đến các IED khác trong hệ thống. Cấp thứ hai Cấp thứ hai của hệ thống SCADA là các Điều khiển tram SS (Substation Server) và RTU có chức năng chủ yếu là thu thập số liệu từ các IED do nó quản lý, lưu lại trong cơ sở dữ liệu, phục vụ các nhu cầu đọc dữ liệu tại chỗ qua các giao diện người máy HMI (Human Machine Interface) và truyền dữ liệu thu thập được lên cấp quản lý cao hơn theo các chuẩn truyền thông tin 1.
Cấp thứ ba Cấp thứ ba là Trung tâm điều khiển của toàn hệ thống, nơi thực hiện việc thu thập số liệu từ các Điều khiển trạm SS (Substation Server) và RTU, thực hiện các chức năng tính toán đánh giá trạng thái của hệ thống, dự báo nhu cầu phụ tải và thực hiện các chức năng điều khiển quan trọng như việc phân phối lại công suất giữa các nhà máy, lên kế hoạch vận hành của toàn hệ thống. Do quy mô rộng lớn của hệ thống truyền tải điện năng, các trạm điều khiển trung tâm còn có thể được chia thành các cấp điều khiển trung tâm (Central control) và các trạm điều khiển vùng (Area Control Center) §1.3 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG SCADA Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng sau: 1. Chức năng giám sát 1) Giám sát và đảm bảo được tính 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 biến áp,… 2) Giám sát được các trạng thái của các phần tử đóng cắt trong hệ thống. Đó là trạng thái đóng/mở của máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa,… 1.
Chức năng điều khiển 1) Quá trình điều khiển phải chính xác, tin cậy. 11 Downloaded by Nguy?n Thu Trang (thutrangluna1803@gmail.com) lOMoARcPSD|17633278 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 bảo tuyệt đối tin cậy, không được nhầm lẫn, có nghĩa là các thao tác phải được giám sát chặt chẽ về tính liên động phối hợp giữa máy cắt, dao cách ly và các thiết bị liên quan tuân theo quy trình quy phạm vận hành của hệ thống. 2) Cài đặt thông số từ xa. Khi có sự thay đổi 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 đổi tỷ số biến 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 được thực hiện từ xa tại các Trung tâm điều độ vung/miền hoặc quốc gia 1. Quản lý và lưu trữ dữ liệu Giám sát được các sự cố xảy ra trên lưới cũng như của các thiết bị, cảnh 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 cây. Tính năng thời gian thực SCADA là một hệ thống điều khiển 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 việc trong thời gian thực không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đầu ra, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả. Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh mà quan trọng hơn phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài. Như vậy một hệ thống truyền tin có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền thông. Do đó tính năng thời gian thực một hệ thống giám sát, điều khiển phụ thuộc vào rất nhiều hệ thống thông tin sử dụng trong hệ thống đó, ví dụ như hệ thống Bus trường.
12 Downloaded by Nguy?n Thu Trang (thutrangluna1803@gmail.com) lOMoARcPSD|17633278 Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống Bus phải có những đặc điểm sau : 1) Độ nhạy nhanh: Tốc độ truyền thông tin hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể. 2) Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm. 3) Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định. 4) Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây thiệt hại thêm cho toàn bộ hệ thống.