Luận văn thạc sĩ về mô phỏng vận hành trạm biến áp trong kỹ thuật điện

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Điện: Mô phỏng vận hành trạm biến áp. Nghiên cứu lập trình, tối ưu hóa vận hành, nâng cao hiệu suất, đảm bảo an toàn.

• Tác giả: Dương Thành Nhân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Liêm
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG Tp. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Lập Trình Mô Phỏng Vận Hành Trạm Biến Áp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và đặt vấn đề

Luận văn "Lập trình mô phỏng vận hành trạm biến áp" của tác giả Dương Thành Nhân, chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, tháng 12/2014, tập trung vào việc xây dựng một hệ thống mô phỏng để huấn luyện vận hành trạm biến áp. Luận văn xuất phát từ thực tế vai trò quan trọng của điện năng trong đời sống và sản xuất, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của việc vận hành trạm biến áp một cách chính xác để đảm bảo cung cấp điện liên tục. Tác giả nêu ra một số sự cố mất điện nghiêm trọng trên thế giới và ở Việt Nam để minh chứng cho hậu quả của việc gián đoạn cung cấp điện. Do tính chất quan trọng của hệ thống điện, việc cho phép nhân viên mới thực hành trực tiếp trên trạm biến áp thực tế là rất khó khăn. Vì vậy, luận văn đề xuất giải pháp sử dụng mô phỏng như một phương pháp huấn luyện hiệu quả và an toàn. Tác giả cũng đã so sánh phương pháp mô phỏng với việc huấn luyện truyền thống dựa trên lý thuyết và bản vẽ, chỉ ra rằng mô phỏng giúp sinh viên tiếp thu kiến thức sâu sắc hơn, rèn luyện kỹ năng nghề nghiệp và tăng khả năng tư duy. Luận văn cũng đề cập đến các ứng dụng thành công của mô phỏng trong các lĩnh vực khác như hàng không và giao thông đường bộ, từ đó khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc áp dụng mô phỏng trong huấn luyện vận hành trạm biến áp.

II. Tổng quan tài liệu và lựa chọn mô hình

Chương 2 của luận văn trình bày tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến mô phỏng vận hành trạm biến áp. Tác giả đã phân tích các mô hình mô phỏng từ truyền thống (sử dụng phần cứng) đến hiện đại (hoàn toàn bằng phần mềm), chỉ ra ưu điểm và nhược điểm của từng loại. Mô hình truyền thống kết hợp phần cứng và phần mềm mang lại trải nghiệm thực tế nhưng chi phí cao và khó nâng cấp. Ngược lại, mô hình phần mềm có chi phí thấp hơn, dễ nâng cấp và linh hoạt hơn. Luận văn cũng đề cập đến mô phỏng 3D và thực tế ảo, nhưng nhận thấy rằng các công nghệ này còn phức tạp và tốn kém. Dựa trên xu hướng phát triển của ngành điện tại Việt Nam, đặc biệt là việc triển khai hệ thống SCADA, tác giả lựa chọn mô phỏng vận hành trạm biến áp trên nền SCADA. Lựa chọn này phù hợp với thực tế vận hành và đáp ứng được yêu cầu về chi phí, tính dễ tiếp cận và khả năng nâng cấp. Tác giả cũng tham khảo một số tài liệu khoa học về mô phỏng hệ thống điện và huấn luyện vận hành, từ đó xây dựng nền tảng lý thuyết cho luận văn.

III. Thiết kế và xây dựng mô phỏng

Luận văn trình bày chi tiết về việc thiết kế và xây dựng mô hình mô phỏng vận hành trạm biến áp. Tác giả sử dụng ba phần mềm chuyên dụng: Vijeo Designer cho giao diện người dùng (HMI), Unity Pro cho thiết bị đầu cuối (RTU/PLC) và Matlab cho việc tính toán các thông số. Việc lựa chọn này nhằm tận dụng thế mạnh của từng phần mềm và tạo ra một hệ thống mô phỏng hoàn chỉnh. Luận văn mô tả cụ thể các bước thiết kế giao diện HMI, lập trình PLC và tích hợp với Matlab. Tác giả tập trung vào việc mô phỏng các thao tác vận hành thiết bị chính trong trạm biến áp như máy cắt, dao cách ly, máy biến áp và tụ bù. Giao diện HMI được thiết kế thân thiện, trực quan, mô phỏng các bảng điều khiển thực tế. Các thông số vận hành như điện áp, dòng điện, công suất được cập nhật liên tục và hiển thị rõ ràng. Ngoài ra, hệ thống còn mô phỏng các sự kiện, cảnh báo và chế độ vận hành sự cố, giúp người học có thể thực hành xử lý các tình huống khác nhau. Việc sử dụng giao thức OPC để kết nối giữa PLC và Matlab giúp đảm bảo tính đồng bộ và chính xác của dữ liệu.

IV. Kết quả và đánh giá

Chương cuối của luận văn trình bày kết quả của việc xây dựng mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu quả của nó. Mô hình đã được thử nghiệm và cho kết quả khả quan, đáp ứng được các yêu cầu đặt ra ban đầu. Giao diện HMI trực quan, dễ sử dụng, mô phỏng chân thực các thao tác vận hành trạm biến áp. Các thông số vận hành được cập nhật chính xác và hiển thị rõ ràng. Hệ thống cũng mô phỏng được các tình huống sự cố và cho phép người học thực hành xử lý. Luận văn kết luận rằng mô hình mô phỏng đã xây dựng có thể được ứng dụng hiệu quả trong việc huấn luyện vận hành trạm biến áp, giúp nâng cao kỹ năng và kiến thức cho nhân viên mới mà không cần phải thực hành trực tiếp trên hệ thống thực. Giá trị thực tiễn của luận văn nằm ở việc cung cấp một giải pháp huấn luyện an toàn, tiết kiệm chi phí và có tính linh hoạt cao. Mô hình có thể được tùy chỉnh và nâng cấp để phù hợp với các loại trạm biến áp khác nhau, đáp ứng nhu cầu đào tạo đa dạng của ngành điện. Tuy nhiên, luận văn cũng chưa đề cập đến việc đánh giá hiệu quả đào tạo thông qua mô hình này so với phương pháp truyền thống. Đây là một hướng nghiên cứu tiếp theo có thể được thực hiện để hoàn thiện hơn giá trị của đề tài.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1. Thomas, Parmod Kumar, Vinay K. Chandna, "Design, Development, and Commissioning of a Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) Laboratory for Research and Training”, IEEE transactions on power systems, vol. Xây dựng hệ thống mô phỏng SCADA để phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu.

Hệ thống giúp cho sinh viên, vận hành viên có được kinh nghiệm cũng như cái nhìn sâu hơn về hệ thống SCADA. Được xây dựng bởi sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm, hệ thống phục vụ được cho cả công tác đào tạo và nghiên cứu SCADA. 18 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN VĂN LIÊM HVTH: DƯƠNG THÀNH NHÂN Hệ thống được bài báo xây dựng sử dụng nhiều phần cứng, phục vụ tốt cho công tác nghiên cứu và đi sâu vào cấu trúc SCADA.

Khả năng của hệ thống đáp ứng hoàn toàn về mặt đào tạo, nhưng lại quá mức cần thiết đối với yêu cầu mô phỏng để huấn luyện vận hành viên, làm cho hệ thống không thực sự kinh tế và không phải là sự lựa chọn tốt nhất cho nhu cầu này tại Việt Nam. 19 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN VĂN LIÊM HVTH: DƯƠNG THÀNH NHÂN CHƯƠNG 3 VẬN HÀNH TRẠM BIẾN ÁP 3. Xu hướng phát triển: Để mô hình có hiệu quả tối đa thì phải bám sát với hệ thống thực tế và đảm bảo giá trị sử dụng trong tương lai.

Chính vì vậy mà việc xác định xu hướng phát triển của hệ thống thực trong hiện tại và tương lai là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Hiện tại Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) đang đẩy mạnh kế hoạch xây dựng hệ thống SCADA để tiến tới mô hình lưới điện thông minh và trạm biến áp không người trực. Trong năm 2013, Tổng Công ty Điện lực miền Nam (EVN SPC) đã thực hiện hoàn tất trang bị SCADA cho 26 trạm, 3 trạm lắp máy 2 và 10 trạm nâng công suất, xây dựng hệ thống HMI cho 96 trạm, hoàn chỉnh đường truyền và kết nối về Trung tâm Điều độ hệ thống điện miền Nam (A2) 4 trạm. Đến cuối năm 2013, EVN SPC đã kết nối SCADA với A2 cho 21/21 trạm 110kV.

EVN SPC đang quản lý 158 trạm biến áp 110kV, trong đó có 142/158 trạm được trang bị RTU và 96/158 trạm được trang bị HMI. Định hướng hiện tại là khai thác xây dựng hệ thống HMI để phục vụ công tác giám sát, vận hành tại trạm và xây dựng hệ thống kết nối để giám sát từ xa tại các trung tâm. Hệ thống HMI tại trạm có các chức năng: - Thể hiện sơ đồ một sợi toàn trạm, hiển thị trạng thái thiết bị, giá trị đo lường online và cảnh báo, thể hiện vị trí khóa Local/Remote toàn trạm, có thể điều khiển các thiết bị…; - Hiển thị tình trạng kết nối các IEDs - Chi tiết các ngăn, trạng thái thiết bị, giá trị đo lường online và cảnh báo, các thông tin liên quan đến ngăn (loại thiết bị, nhà chế tạo, tỷ số CT, VT…), - Có thể điều khiển các thiết bị trong ngăn…; - Hiển thị toàn bộ các cảnh báo của hệ thống, chọn lọc từng loại cảnh báo; Hiển thị toàn bộ các sự kiện của hệ thống, có khả năng truy xuất các sự kiện trong quá khứ; 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN VĂN LIÊM HVTH: DƯƠNG THÀNH NHÂN - Có chức năng chọn lọc dữ liệu để phục vụ báo cáo, truy xuất các dữ liệu đo lường trong quá khứ, kết xuất sang file Excel… Hình 1: Màn hình HMI tại trạm Khu công nghiệp Cần Thơ Định hướng xây dựng và khai thác: - Tại bàn làm việc của điều hành viên trạm: Có HMI với chức năng giám sát trạng thái, thông số vận hành, và thao tác dựa vào hệ thống SCADA hiện hữu, có máy tính (công nghiệp) nối mạng để theo dõi các thông số vận hành qua hệ thống đọc từ xa điện kế điện tử tại TBA 110kV.

- Tại Chi nhánh điện cao thế: Có hệ thống đọc từ xa điện kế điện tử tại TBA 110kV. Đang nghiên cứu triển khai các Remote console kết nối qua mạng MAN từng tỉnh để theo dõi trạng thái, thông số vận hành các trạm 110kV dựa vào hệ thống SCADA hiện hữu và khi dự án SCADA của EVN SPC hoàn tất, 21 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN VĂN LIÊM HVTH: DƯƠNG THÀNH NHÂN tại đây sẽ có Remote console để giám sát và điều khiển từ xa các trạm 110kV. - Tại các CTĐL: Có hệ thống đọc từ xa điện kế điện tử tại TBA 110kV.

Đang nghiên cứu triển khai các Remote console kết nối qua mạng MAN từng tỉnh để theo dõi trạng thái, thông số vận hành các trạm 110kV dựa vào hệ thống SCADA hiện hữu và khi dự án SCADA của EVN SPC hoàn tất, tại đây sẽ có Remote console để giám sát và điều khiển từ xa các thiết bị trên lưới trung thế. Riêng PC Đồng Nai, Lâm Đồng, Cần Thơ: tiếp tục duy trì hệ thống mini- SCADA. - Tại văn phòng CTLĐCTMN và TCT: có Remote console chia sẻ hình ảnh từ hệ thống SCADA của A2 để theo dõi vận hành lưới truyền tải, các nhà máy điện và lưới 110kV; Hệ thống đọc từ xa điện kế điện tử tại TBA 110kV và khi dự án SCADA của EVN SPC hoàn tất, ở đây sẽ là trung tâm điều khiển chính và dự phòng cho toàn bộ hệ thống SCADA/DMS. Tìm hiểu quy trình thao tác hệ thống điện: Để có thể hỗ trợ tốt cho công tác đào tạo thì mô phỏng phải phù hợp với các quy trình, quy định trong việc vận hành trạm biến áp mà cao nhất là quy trình thao tác hệ thống điện quốc gia.

Thực hiện thao tác: Để thực hiện thao tác trong hệ thống điện cần phải có người ra lệnh thao tác và người nhận lệnh thao tác. Trước khi ra các lệnh thao tác, người ra lệnh phải chú ý các nội dung sau: - Tên phiếu thao tác và mục đích thao tác; - Thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc thao tác; - Sơ đồ kết dây hiện tại của hệ thống điện, của lưới điện khu vực hoặc của nhà máy; - Tình trạng vận hành của các thiết bị đóng cắt. Tình trạng vận hành và nguyên tắc hoạt động của rơ le bảo vệ, thiết bị tự động, cuộn dập hồ quang, điểm trung tính nối đất, thiết bị đo lường, điều khiển và tín hiệu từ xa; - Những phần tử đang nối đất vĩnh cửu; 22 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN VĂN LIÊM HVTH: DƯƠNG THÀNH NHÂN - Dự đoán xu hướng thay đổi công suất, điện áp trong hệ thống điện sau khi thao tác và phải có biện pháp điều chỉnh thích hợp tránh quá tải, điện áp thấp hoặc quá áp theo quy định về điều chỉnh điện áp; - Sơ đồ hệ thống thông tin liên lạc điều độ, hệ thống SCADA, đặc biệt trong những trong những trường hợp thao tác có ảnh hưởng đến phương thức vận hành của hệ thống thông tin liên lạc và SCADA; - Nguồn cung cấp và sơ đồ hệ thống tự dùng; - Các biện pháp an toàn đối với người và thiết bị, các lưu ý khác liên quan đến thao tác; - Người ra lệnh chịu trách nhiệm cuối cùng về phiếu thao tác, phải đọc kỹ phiếu thao tác, phát hiện những điểm không hợp lý và ký tên vào phiếu thao tác trước khi ra lệnh thao tác.

Khi thực hiện phiếu thao tác, người nhận lệnh thao tác phải chú ý các nội dung sau: - Đọc kỹ phiếu thao tác và kiểm tra phiếu thao tác phải phù hợp với mục đích của thao tác; - Khi thấy có điều không hợp lý hoặc không rõ ràng trong phiếu thao tác cần đề nghị người ra lệnh thao tác làm sáng tỏ. Chỉ được thực hiện thao tác khi đã hiểu rõ các bước thao tác; - Người nhận lệnh thao tác phải ký và ghi rõ họ tên vào phiếu thao tác trước khi thao tác; - Trước khi tiến hành thao tác phải kiểm tra sự tương ứng của sơ đồ nối dây thực tế có phù hợp với phiếu thao tác không; - Tất cả các thao tác đều phải thực hiện đúng theo trình tự nêu trong phiếu. Không được tự ý thay đổi trình tự khi chưa được phép của người ra lệnh; - Khi thực hiện xong các bước thao tác, phải đánh dấu từng thao tác vào phiếu để tránh nhầm lẫn và thiếu sót các hạng mục; - Trong quá trình thao tác, nếu có xuất hiện cảnh báo hoặc có những trục trặc về thiết bị và những hiện tượng bất thường phải kiểm tra tìm nguyên nhân trước khi thực hiện các bước tiếp theo; 23 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN VĂN LIÊM HVTH: DƯƠNG THÀNH NHÂN - Mọi thao tác dao cách ly hoặc dao tiếp đại bằng điều khiển từ xa đều phải kiểm tra trạng thái tại chỗ ngay sau mỗi lần thao tác, riêng trạm GIS phải kiểm tra tín hiệu cơ khí chỉ trạng thái tại chỗ của dao cách ly hoặc dao tiếp đại.

Mọi thao tác đều phải có hai người phối hợp thực hiện: một người giám sát và một người trực tiếp thao tác. Hai người thực hiện thao tác phải biết rõ sơ đồ và vị trí của thiết bị điện tại hiện trường, đã được đào tạo và kiểm tra đạt được chức danh vận hành và được bố trí làm công việc thao tác. Người trực tiếp thao tác phải có trình độ an toàn từ bậc 3 trở lên, người giám sát phải có trình độ an toàn từ bậc 4 trở lên. Trong mọi trường hợp, cả hai người đều chịu trách nhiệm như nhau về thao tác của mình.

Về thời điểm thao tác, hạn chế các thao tác trong giờ cao điểm và thời gian giao nhận ca. Cho phép thao tác vào các thời điểm trên trong trường hợp xử lý sự cố, đe dọa an toàn đến người hoặc thiết bị, gây ra hạn chế phụ tải hoặc làm giảm ổn định của hệ thống điện. Nếu thao tác được thực hiện từ trước và kéo dài đến giờ giao nhận ca thì nhân viên ca vận hành ca trước phải lựa chọn hạng mục thao tác để ngừng cho hợp lý. Trong trường hợp thao tác phức tạp, nhân viên vận hành ca trước phải ở lại để thực hiện hết các hạng mục thao tác, chỉ được phép giao ca nếu nhân viên vận hành ca sau đồng ý nhận ca.

Tại vị trí thao tác hoặc điều khiển, nhân viên vận hành phải kiểm tra cẩn thận lại xem tên các thiết bị có tương ứng với tên trong phiếu thao tác không. Khi đã khẳng định thiết bị phải thao tác là đúng, người giám sát đọc lệnh, người thao tác nhắc lại lệnh và thực hiện từng bước thao tác theo phiếu thao tác.