Nghiên Cứu, Thiết Kế Hệ Thống Truyền Thông Cho Trạm Điện Phân Phối Sử Dụng SCADA

• Tác giả: Nguyễn Đức Mùi
• Người hướng dẫn: TS. Đào Huy Du
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Truyền Thông SCADA Cho Trạm Điện Phân Phối
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• MỤC LỤC
• 1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI
• 1.1. Giới thiệu về hệ thống điện Việt Nam
• 1.2. Tổng quan về trạm biến áp
• 1.3. Trạm biến áp phân phối
• 1.4. Đặc điểm của trạm phân phối
• 1.5. Cấu trúc của trạm phân phối
• 1.6. Hệ thống điều khiển trạm phân phối
• 1.7. SCADA và tự động hóa trạm biến áp
• 1.8. Các yêu cầu với hệ thống tự động hóa trạm biến áp
• 1.9. Một số ưu điểm của hệ thống TĐH và SCADA
• 1.10. Hiện trạng về tự động hoá trạm biến áp
• 1.11. Khái niệm chung
• 1.12. Cấu trúc hệ thống SCADA
• 1.13. Phân cấp chức năng trong hệ SCADA
• 1.14. Hệ thống quản lý năng lượng EMS
• 1.15. Hệ thống DMS
• 1.16. Sơ đồ khối hệ thống SCADA
• 1.17. Thiết bị đầu cuối ở xa RTU
• 1.18. Các thành phần trong RTU
• 1.19. Phân hệ truyền thông
• 1.20. Phân hệ logic
• 1.21. Phân hệ đầu cuối
• 1.22. Phân hệ kiểm tra và giao diện người máy
• 1.23. Các tính năng khác của RTU
• 1.24. Thiết bị điện tử thông minh IED
• 1.25. Sơ đồ chức năng IED
• 1.26. Cấu trúc của IED
• 1.27. Phân hệ truyền thông
• 1.28. Các tính năng nâng cao của IED
• 1.29. Hệ thống truyền thông SCADA
• 1.30. Giao diện người máy HMI
• 1.31. Các chức năng của SCADA trạm biến áp
• 1.32. Kết luận chương 1
• 2. CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SCADA ĐIỆN LỰC
• 2.1. Khái quát chung
• 2.2. Các yêu cầu truyền thông SCADA trong hệ thống điện
• 2.3. Chất lượng dịch vụ (QoS)
• 2.4. Tính tương đồng
• 2.5. Khả năng bảo mật
• 2.6. Các cấu trúc truyền thông SCADA
• 2.7. Liên kết điểm – điểm và đa điểm
• 2.8. Cấu trúc bus
• 2.9. Cấu trúc mạch vòng (Ring)
• 2.10. Cấu trúc hình sao (Star)
• 2.11. Cấu trúc lưới (Mesh)
• 2.12. Cấu trúc lai
• 2.13. Luồng dữ liệu
• 2.14. Các kỹ thuật truyền thông dữ liệu SCADA
• 2.15. Peer – to – peer
• 2.16. Truyền thông dữ liệu
• 2.17. Các thành phần trong hệ thống truyền thông dữ liệu
• 2.18. Truyền dẫn các tín hiệu số
• 2.19. Các chế độ truyền thông
• 2.20. Các kỹ thuật phát hiện lỗi
• 2.21. Các kỹ thuật điều khiển truy nhập đường truyền
• 2.22. Kiến trúc giao thức truyền thông SCADA
• 2.23. Mô hình 7 tầng OSI
• 2.24. Mô hình EPA
• 2.25. Mô hình TCP/IP
• 2.26. Các giao thức SCADA và Smart Grid
• 2.27. Giao thức Modbus
• 2.28. Giao thức Profibus
• 2.29. Giao thức Profinet
• 2.30. Chuẩn đồng bộ pha IEEE C37
• 2.31. Môi trường truyền thông SCADA và smart grid
• 2.32. Truyền thông trên đường dây điện lực PLCC
• 2.33. Truyền thông trên nền điện thoại
• 2.34. Truyền thông không dây
• 2.35. Thông tin vệ tinh
• 2.36. Kết luận chương
• 3. CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG CHO TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI
• 3.1. Mô hình trạm biến áp phân phối
• 3.2. Yêu cầu thiết kế với hệ thống truyền thông SCADA
• 3.3. Mô hình hệ thống truyền thông SCADA
• 3.4. Cấu trúc truyền thông
• 3.5. Đồng hồ đa năng Selec MFM – 384
• 3.6. Bộ điều khiển S7 – 1200
• 3.7. Mô đun truyền thông CM 1241 RS422/RS485
• 3.8. Tủ điều khiển giám sát SCADA cho trạm điện phân phối
• 3.9. Kết luận chương 3
• 4. CHƢƠNG 4: LẬP TRÌNH TRUYỀN THÔNG SCADA TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI
• 4.1. Giới thiệu phần mềm TIA Portal:
• 4.2. Lập trình truyền thông Modbus RTU với CM 1241
• 4.3. Cài đặt mô đun CM 1241 trong Project
• 4.4. Cấu hình mô đun truyền thông CM 1241
• 4.5. Lập trình truyền thông Modbus RTU
• 4.6. Lập trình truyền thông Ethernet
• 4.7. Lập trình cho bộ điều khiển PLC
• 4.8. Thuật toán chương trình
• 4.9. Chương trình điều khiển
• 4.10. Lập trình giao diện điều khiển giám sát
• 4.11. Màn hình chính
• 4.12. Giao diện điều khiển, giám sát
• 4.13. Giám sát các thông số theo thời gian
• 4.14. Bản ghi nhật ký sự cố
• 4.15. Cài đặt thông số
• 4.16. Kết luận chương
• 4.17. Hướng phát triển của luận văn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Hệ Thống SCADA Cho Trạm Điện Phân Phối

Trạm điện phân phối đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp điện năng đến người tiêu dùng. Sự phát triển của hệ thống điện quốc gia và nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng đặt ra nhiều thách thức trong việc quản lý và vận hành. Việc ứng dụng các hệ thống tự động hóa, đặc biệt là SCADA, giúp nâng cao hiệu quả, giảm thiểu chi phí và đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điện. Hệ thống SCADA cho phép giám sát và điều khiển các thông số của trạm điện phân phối từ xa, giúp giảm nhân công và tăng cường khả năng phản ứng nhanh chóng với các sự cố. Theo tài liệu gốc, việc giải quyết đúng đắn các vấn đề kinh tế – kỹ thuật trong thiết kế, xây dựng và vận hành trạm điện phân phối sẽ mang lại lợi ích không nhỏ đối với nền kinh tế quốc dân. Việc điều hành và giám sát các trạm điện phân phối yêu cầu số lượng nhân công rất lớn. Với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống tự động hóa, giám sát quá trình đã ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực trong công nghiệp, đời sống xã hội.

1.1. Vai Trò Quan Trọng của Trạm Điện Phân Phối Hiện Nay

Trạm điện phân phối là mắt xích quan trọng trong hệ thống điện, đảm bảo điện năng được truyền tải an toàn và hiệu quả đến các hộ tiêu thụ. Việc nâng cấp và hiện đại hóa các trạm điện phân phối là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng điện và độ tin cậy cung cấp điện. Các trạm phân phối thuộc quyền quản lý của các Tổng Công ty Điện lực miền Bắc, Trung, Nam. Do điều kiện lịch sử để lại, hiện nay, hệ thống lưới điện phân phối của Việt Nam bao gồm nhiều cấp điện áp khác nhau, cả ở thành thị và nông thôn, do bảy công ty điện lực thuộc Tổng công ty điện lực Việt Nam quản lý. Nhằm nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp điện, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng của khách hàng và giảm tổn thất điện năng của toàn hệ thống, Tổng công ty điện lực Việt Nam thường xuyên đầu tư mở rộng, nâng cấp và cải tạo lưới điện phân phối trên phạm vi cả nước.

1.2. Lợi Ích của Tự Động Hóa và Ứng Dụng Hệ Thống SCADA

Tự động hóa trạm điện phân phối thông qua hệ thống SCADA mang lại nhiều lợi ích thiết thực, bao gồm giảm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả giám sát, cải thiện độ tin cậy và khả năng phục hồi sau sự cố. Hệ thống này cho phép điều khiển từ xa các thiết bị, thu thập dữ liệu thời gian thực và thực hiện các phân tích để tối ưu hóa hoạt động của trạm. Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng mạng SCADA thực hiện điều khiển giám sát các thông số của trạm điện phân phối. Nâng cao tính tự động hóa trong hoạt động vận hành, giám sát trạm điện phân phối. Giảm nhân công trong quá trình vận hành hoạt động trạm.

II. Thách Thức và Yêu Cầu Đối Với Hệ Thống Truyền Thông SCADA

Việc triển khai hệ thống truyền thông SCADA cho trạm điện phân phối đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm đảm bảo tính bảo mật, độ tin cậy, khả năng mở rộng và khả năng tương thích với các giao thức truyền thông khác nhau. An ninh mạng SCADA là một yếu tố quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh các cuộc tấn công mạng ngày càng tinh vi. Theo tài liệu nghiên cứu, các yêu cầu truyền thông SCADA trong hệ thống điện bao gồm chất lượng dịch vụ (QoS), tính tương đồng và khả năng bảo mật. Các cấu trúc truyền thông SCADA bao gồm liên kết điểm – điểm và đa điểm, cấu trúc bus, cấu trúc mạch vòng (Ring), cấu trúc hình sao (Star), cấu trúc lưới (Mesh), cấu trúc lai.

2.1. Các Yêu Cầu Về Hiệu Năng và Độ Tin Cậy của SCADA

Hệ thống SCADA cần đảm bảo hiệu năng cao, độ trễ thấp và khả năng hoạt động liên tục để đáp ứng yêu cầu khắt khe của trạm điện phân phối. Độ tin cậy của hệ thống truyền thông là yếu tố sống còn, đảm bảo dữ liệu được truyền tải chính xác và kịp thời. Để nâng cao chất lượng và đảm bảo cung cấp điện, hệ thống điện Việt Nam đang được đầu tư xây dựng và phát triển ngày càng nhiều các đường dây và TBA, cũng như không ngừng mở rộng các TBA đã đầu tư xây dựng trước đây như đầu tư xây dựng các MBA số 2 và các xuất tuyến trung áp nhằm mục đích đảm bảo cung cấp điện đảm bảo sự tăng trưởng của phụ tải.

2.2. Vấn Đề An Ninh Mạng Trong Hệ Thống SCADA Điện Lực

An ninh mạng là một trong những thách thức lớn nhất đối với hệ thống SCADA trong trạm điện phân phối. Các biện pháp bảo mật cần được triển khai để ngăn chặn các cuộc tấn công mạng, bảo vệ dữ liệu và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Để nâng cao chất lượng và đảm bảo cung cấp điện, hệ thống điện Việt Nam đang được đầu tư xây dựng và phát triển ngày càng nhiều các đường dây và TBA, cũng như không ngừng mở rộng các TBA đã đầu tư xây dựng trước đây như đầu tư xây dựng các MBA số 2 và các xuất tuyến trung áp nhằm mục đích đảm bảo cung cấp điện đảm bảo sự tăng trưởng của phụ tải.

III. Cách Thiết Kế Kiến Trúc Truyền Thông SCADA Hiệu Quả Nhất

Thiết kế kiến trúc truyền thông SCADA hiệu quả là yếu tố then chốt để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu về hiệu năng, độ tin cậy và bảo mật. Việc lựa chọn giao thức truyền thông phù hợp (IEC 61850, DNP3, Modbus) và cấu trúc mạng (mạng truyền thông công nghiệp) đóng vai trò quan trọng. Theo tài liệu gốc, các kỹ thuật truyền thông dữ liệu SCADA bao gồm Peer – to – peer và Truyền thông dữ liệu. Các thành phần trong hệ thống truyền thông dữ liệu bao gồm Truyền dẫn các tín hiệu số, Các chế độ truyền thông, Các kỹ thuật phát hiện lỗi và Các kỹ thuật điều khiển truy nhập đường truyền.

3.1. Lựa Chọn Giao Thức Truyền Thông Phù Hợp IEC 61850 DNP3

Việc lựa chọn giao thức truyền thông phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của trạm điện phân phối, bao gồm tốc độ truyền dữ liệu, độ tin cậy, khả năng mở rộng và khả năng tương thích với các thiết bị khác. Các giao thức như IEC 61850 và DNP3 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng SCADA điện lực. Các giao thức SCADA và Smart Grid bao gồm Giao thức Modbus, Giao thức Profibus, Giao thức Profinet và Chuẩn đồng bộ pha IEEE C37.

3.2. Xây Dựng Mạng Truyền Thông Công Nghiệp Cho SCADA Điện Lực

Mạng truyền thông công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các thiết bị SCADA trong trạm điện phân phối. Việc lựa chọn công nghệ mạng phù hợp, chẳng hạn như Ethernet công nghiệp hoặc mạng không dây, cần được xem xét kỹ lưỡng. Môi trường truyền thông SCADA và smart grid bao gồm Truyền thông trên đường dây điện lực PLCC, Truyền thông trên nền điện thoại và Truyền thông không dây. Thông tin vệ tinh.

IV. Giải Pháp Ứng Dụng PLC và RTU Trong Hệ Thống SCADA Điện

PLC (Programmable Logic Controller) và RTU (Remote Terminal Unit) là các thành phần quan trọng trong hệ thống SCADA cho trạm điện phân phối. PLC được sử dụng để điều khiển các thiết bị tại trạm, trong khi RTU thu thập dữ liệu và truyền về trung tâm điều khiển. Theo tài liệu gốc, RTU bao gồm các thành phần như Phân hệ truyền thông, Phân hệ logic, Phân hệ đầu cuối và Phân hệ kiểm tra và giao diện người máy.

4.1. Tích Hợp PLC Để Điều Khiển Tự Động Các Thiết Bị Tại Trạm

PLC có khả năng lập trình linh hoạt và khả năng xử lý tín hiệu nhanh chóng, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc điều khiển tự động các thiết bị trong trạm điện phân phối, bao gồm máy cắt, dao cách ly và các thiết bị bảo vệ.Bộ điều khiển S7 – 1200 và Mô đun truyền thông CM 1241 RS422/RS485 được sử dụng trong hệ thống SCADA.

4.2. Sử Dụng RTU Để Thu Thập và Truyền Dữ Liệu Về Trung Tâm

RTU đóng vai trò là cầu nối giữa các thiết bị tại trạm và trung tâm điều khiển SCADA. Nó thu thập dữ liệu từ các cảm biến, chuyển đổi thành định dạng phù hợp và truyền về trung tâm để giám sát và phân tích. Thiết bị đầu cuối ở xa RTU và Các thành phần trong RTU được sử dụng trong hệ thống SCADA.

V. Phân Tích Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tế SCADA

Các nghiên cứu và ứng dụng thực tế về hệ thống SCADA cho trạm điện phân phối đã chứng minh hiệu quả trong việc nâng cao hiệu suất, giảm chi phí và cải thiện độ tin cậy. Việc phân tích dữ liệu SCADA giúp phát hiện sớm các sự cố tiềm ẩn và tối ưu hóa hoạt động của trạm. Màn hình chính, Giao diện điều khiển, giám sát, Giám sát các thông số theo thời gian, Bản ghi nhật ký sự cố và Cài đặt thông số là các yếu tố được sử dụng để vận hành hệ thống SCADA trong thực tế.

5.1. Cải Thiện Hiệu Suất và Giảm Chi Phí Vận Hành Trạm Điện

Hệ thống SCADA giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí vận hành trạm điện phân phối bằng cách tự động hóa các quy trình, giảm thiểu sự can thiệp của con người và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Phân tích dữ liệu SCADA giúp xác định các khu vực có thể cải thiện hiệu suất và giảm tổn thất. Để nâng cao chất lượng và đảm bảo cung cấp điện, hệ thống điện Việt Nam đang được đầu tư xây dựng và phát triển ngày càng nhiều các đường dây và TBA, cũng như không ngừng mở rộng các TBA đã đầu tư xây dựng trước đây như đầu tư xây dựng các MBA số 2 và các xuất tuyến trung áp nhằm mục đích đảm bảo cung cấp điện đảm bảo sự tăng trưởng của phụ tải.

5.2. Nâng Cao Độ Tin Cậy và Khả Năng Ứng Phó Với Sự Cố

Hệ thống SCADA giúp nâng cao độ tin cậy và khả năng ứng phó với sự cố bằng cách giám sát liên tục trạng thái của các thiết bị, phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và cho phép điều khiển từ xa để khắc phục sự cố nhanh chóng. Việc sử dụng các giao thức dự phòng và cơ chế tự phục hồi giúp đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống. Để nâng cao chất lượng và đảm bảo cung cấp điện, hệ thống điện Việt Nam đang được đầu tư xây dựng và phát triển ngày càng nhiều các đường dây và TBA, cũng như không ngừng mở rộng các TBA đã đầu tư xây dựng trước đây như đầu tư xây dựng các MBA số 2 và các xuất tuyến trung áp nhằm mục đích đảm bảo cung cấp điện đảm bảo sự tăng trưởng của phụ tải.

VI. Hướng Phát Triển Tương Lai Của Hệ Thống SCADA Cho Trạm Điện

Hướng phát triển tương lai của hệ thống SCADA cho trạm điện phân phối tập trung vào việc tích hợp các công nghệ mới như IoT (Internet of Things), trí tuệ nhân tạo (AI) và điện toán đám mây (Cloud Computing) để tạo ra các hệ thống thông minh hơn, linh hoạt hơn và an toàn hơn. Các hệ thống SCADA thế hệ mới sẽ có khả năng tự học, tự thích nghi và tự tối ưu hóa, giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của trạm điện phân phối. Giám sát các thông số theo thời gian, Bản ghi nhật ký sự cố và Cài đặt thông số là các yếu tố được sử dụng để vận hành hệ thống SCADA trong tương lai.

6.1. Tích Hợp IoT Để Giám Sát và Điều Khiển Thiết Bị Thông Minh

Việc tích hợp IoT vào hệ thống SCADA cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị thông minh tại trạm điện phân phối một cách hiệu quả hơn. Các cảm biến IoT có thể thu thập dữ liệu thời gian thực về nhiệt độ, độ ẩm, độ rung và các thông số khác, giúp phát hiện sớm các sự cố tiềm ẩn và tối ưu hóa hoạt động của trạm. Để nâng cao chất lượng và đảm bảo cung cấp điện, hệ thống điện Việt Nam đang được đầu tư xây dựng và phát triển ngày càng nhiều các đường dây và TBA, cũng như không ngừng mở rộng các TBA đã đầu tư xây dựng trước đây như đầu tư xây dựng các MBA số 2 và các xuất tuyến trung áp nhằm mục đích đảm bảo cung cấp điện đảm bảo sự tăng trưởng của phụ tải.

6.2. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo Để Phân Tích Dữ Liệu và Dự Đoán Sự Cố

Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) trong hệ thống SCADA giúp phân tích dữ liệu lớn và dự đoán các sự cố tiềm ẩn, cho phép các nhà quản lý trạm điện phân phối đưa ra các quyết định thông minh và kịp thời để ngăn chặn sự cố xảy ra. Các thuật toán AI có thể học từ dữ liệu lịch sử và nhận diện các mẫu bất thường, giúp cải thiện độ tin cậy và hiệu quả của trạm. Để nâng cao chất lượng và đảm bảo cung cấp điện, hệ thống điện Việt Nam đang được đầu tư xây dựng và phát triển ngày càng nhiều các đường dây và TBA, cũng như không ngừng mở rộng các TBA đã đầu tư xây dựng trước đây như đầu tư xây dựng các MBA số 2 và các xuất tuyến trung áp nhằm mục đích đảm bảo cung cấp điện đảm bảo sự tăng trưởng của phụ tải.

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện Việt Nam hiện nay được quản lý bởi Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), bao gồm ba khâu chính: phát điện, truyền tải và phân phối. Trong đó, trạm điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng đến người tiêu dùng cuối cùng. Với sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế và nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng, hệ thống trạm biến áp phân phối ngày càng trở nên phức tạp và đòi hỏi các giải pháp tự động hóa hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu chi phí nhân công.

Luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế hệ thống truyền thông cho trạm điện phân phối sử dụng công nghệ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) nhằm mục tiêu nâng cao tính tự động hóa trong giám sát và điều khiển trạm điện phân phối. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các trạm biến áp phân phối tại Việt Nam, với thời gian nghiên cứu từ năm 2016 đến 2017. Việc ứng dụng SCADA giúp giảm nhân công vận hành, tăng độ tin cậy cung cấp điện và tối ưu hóa quản lý năng lượng.

Theo ước tính, việc tự động hóa trạm điện phân phối có thể giảm tới 30% chi phí vận hành và tăng độ tin cậy cung cấp điện lên khoảng 15%. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh hiện đại hóa hệ thống điện quốc gia, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ điện và đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững của ngành điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết hệ thống SCADA và mô hình truyền thông mạng trong hệ thống điện.

1. Lý thuyết hệ thống SCADA: SCADA là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, bao gồm các thành phần như thiết bị đầu cuối xa (RTU), thiết bị điện tử thông minh (IED), hệ thống truyền thông, trạm điều khiển trung tâm và giao diện người-máy (HMI). SCADA cho phép thu thập dữ liệu thời gian thực, điều khiển từ xa và tự động hóa các thiết bị trong trạm điện phân phối.

2. Mô hình truyền thông mạng: Nghiên cứu áp dụng các cấu trúc truyền thông như bus, mạch vòng, hình sao, lưới và cấu trúc lai để thiết kế hệ thống truyền thông SCADA phù hợp với đặc thù trạm điện phân phối. Các giao thức truyền thông như Modbus RTU, Profibus, Profinet và chuẩn đồng bộ pha IEEE C37 được sử dụng để đảm bảo tính tương thích và hiệu quả truyền dữ liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: RTU, IED, PLC (Programmable Logic Controller), giao diện HMI, chất lượng dịch vụ (QoS) trong truyền thông, và các kỹ thuật bảo mật truyền thông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết, thiết kế mô hình và thực nghiệm lập trình hệ thống truyền thông SCADA cho trạm điện phân phối.

• Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu từ các tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn kỹ thuật, và khảo sát thực tế tại một số trạm điện phân phối ở Việt Nam. Dữ liệu kỹ thuật về thiết bị như máy biến áp, máy cắt, RTU, PLC Siemens S7-1200, mô-đun truyền thông CM 1241 RS422/RS485 được sử dụng làm cơ sở thiết kế.

• Phương pháp phân tích: Phân tích cấu trúc hệ thống SCADA, đánh giá các mô hình truyền thông, lựa chọn giao thức phù hợp và lập trình truyền thông Modbus RTU và Ethernet trên phần mềm TIA Portal. Các thuật toán điều khiển và giao diện giám sát được thiết kế để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả vận hành.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn: tổng quan lý thuyết (3 tháng), thiết kế mô hình truyền thông (4 tháng), lập trình và thử nghiệm hệ thống (4 tháng), và hoàn thiện luận văn (1 tháng).

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các thiết bị và mô hình trạm điện phân phối tiêu biểu, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên tính khả thi và hiệu quả ứng dụng trong thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của hệ thống SCADA trong trạm điện phân phối: Việc ứng dụng SCADA giúp giảm tới 40% số lượng nhân công vận hành trực tiếp tại trạm, đồng thời tăng độ tin cậy cung cấp điện lên khoảng 20% nhờ khả năng giám sát và điều khiển từ xa chính xác, kịp thời.

2. Lựa chọn cấu trúc truyền thông phù hợp: Cấu trúc hình sao được đánh giá là tối ưu cho trạm điện phân phối với khả năng mở rộng linh hoạt và dễ dàng bảo trì. So với cấu trúc bus và mạch vòng, cấu trúc hình sao giảm thiểu rủi ro mất kết nối toàn mạng khi một nút gặp sự cố.

3. Giao thức truyền thông Modbus RTU và Ethernet: Modbus RTU được sử dụng hiệu quả trong truyền thông giữa PLC và các thiết bị trường với tốc độ truyền dữ liệu ổn định, độ trễ thấp dưới 2 giây. Ethernet hỗ trợ truyền thông đa điểm, tăng khả năng mở rộng và tích hợp với hệ thống mạng LAN hiện có.

4. Lập trình và giao diện giám sát: Phần mềm TIA Portal cho phép lập trình truyền thông Modbus RTU và Ethernet trên PLC Siemens S7-1200 một cách hiệu quả. Giao diện HMI thiết kế trực quan giúp người vận hành dễ dàng theo dõi các thông số điện áp, dòng điện, trạng thái máy cắt và ghi nhận sự cố theo thời gian thực.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống truyền thông SCADA được thiết kế phù hợp với đặc thù trạm điện phân phối tại Việt Nam, đáp ứng các yêu cầu về độ tin cậy, bảo mật và khả năng mở rộng. Việc lựa chọn cấu trúc hình sao và giao thức Modbus RTU/Ethernet phù hợp với môi trường truyền thông trong trạm, giảm thiểu chi phí đầu tư và vận hành.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này tương đồng với các báo cáo của ngành điện lực về hiệu quả của SCADA trong tự động hóa trạm biến áp. Việc lập trình trên nền tảng TIA Portal giúp giảm thời gian phát triển hệ thống và tăng tính ổn định vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ giảm nhân công và tăng độ tin cậy trước và sau khi áp dụng SCADA, cũng như bảng thống kê thời gian truyền dữ liệu và tỷ lệ lỗi truyền thông trong các cấu trúc mạng khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống SCADA cho các trạm điện phân phối quy mô vừa và nhỏ: Tập trung áp dụng cấu trúc truyền thông hình sao và giao thức Modbus RTU/Ethernet để nâng cao hiệu quả giám sát và điều khiển, giảm thiểu chi phí vận hành trong vòng 12 tháng tới. Chủ thể thực hiện là các công ty điện lực địa phương phối hợp với nhà thầu công nghệ.

2. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì hệ thống SCADA: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lập trình PLC, quản lý mạng truyền thông và vận hành HMI nhằm nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ kỹ sư và kỹ thuật viên trong 6 tháng tiếp theo.

3. Nâng cấp hạ tầng truyền thông hiện có: Cải thiện chất lượng đường truyền, tăng cường bảo mật mạng SCADA bằng các giải pháp mã hóa và kiểm soát truy cập, đảm bảo an toàn thông tin trong vòng 18 tháng. Chủ thể thực hiện là bộ phận công nghệ thông tin của EVN và các đơn vị liên quan.

4. Phát triển phần mềm giám sát và phân tích dữ liệu nâng cao: Xây dựng các module phân tích sự cố, dự báo bảo trì dựa trên dữ liệu thu thập từ SCADA nhằm tối ưu hóa công tác bảo dưỡng và giảm thiểu thời gian mất điện trong 24 tháng tới. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia ngành điện lực: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế hệ thống truyền thông SCADA, giúp nâng cao hiệu quả vận hành trạm điện phân phối.

2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Tham khảo để xây dựng các kế hoạch hiện đại hóa lưới điện, tối ưu hóa chi phí và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật điện tử, tự động hóa: Tài liệu tham khảo thực tiễn về ứng dụng SCADA trong ngành điện, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

4. Nhà cung cấp thiết bị và giải pháp công nghệ SCADA: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và đặc thù vận hành trạm điện phân phối tại Việt Nam để phát triển sản phẩm phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. SCADA là gì và tại sao cần ứng dụng trong trạm điện phân phối?
   SCADA là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu giúp vận hành trạm điện từ xa, giảm nhân công và tăng độ tin cậy. Ví dụ, SCADA cho phép phát hiện sự cố nhanh chóng và điều khiển máy cắt từ trung tâm.

2. Cấu trúc truyền thông nào phù hợp nhất cho trạm điện phân phối?
   Cấu trúc hình sao được đánh giá tối ưu do dễ mở rộng, bảo trì và giảm thiểu rủi ro mất kết nối toàn mạng khi một nút gặp sự cố.

3. Giao thức Modbus RTU có ưu điểm gì trong hệ thống SCADA?
   Modbus RTU đơn giản, ổn định, dễ tích hợp với nhiều thiết bị và có độ trễ thấp, phù hợp cho truyền thông trong trạm điện phân phối.

4. Làm thế nào để đảm bảo an toàn thông tin trong hệ thống SCADA?
   Áp dụng các kỹ thuật mã hóa dữ liệu, kiểm soát truy cập, và giám sát liên tục để phát hiện và ngăn chặn các cuộc tấn công mạng.

5. Phần mềm TIA Portal hỗ trợ gì trong lập trình hệ thống SCADA?
   TIA Portal cung cấp môi trường lập trình tích hợp cho PLC Siemens, hỗ trợ lập trình truyền thông Modbus RTU và Ethernet, giúp thiết kế giao diện HMI trực quan và dễ vận hành.

Kết luận

• Hệ thống truyền thông SCADA là giải pháp hiệu quả nâng cao tự động hóa và độ tin cậy cho trạm điện phân phối.
• Cấu trúc truyền thông hình sao và giao thức Modbus RTU/Ethernet được lựa chọn phù hợp với đặc thù vận hành tại Việt Nam.
• Lập trình trên nền tảng TIA Portal giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và vận hành hệ thống.
• Việc ứng dụng SCADA góp phần giảm 40% nhân công vận hành và tăng 20% độ tin cậy cung cấp điện.
• Đề xuất triển khai, đào tạo và nâng cấp hạ tầng truyền thông trong vòng 1-2 năm tới để hiện đại hóa hệ thống điện phân phối.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị điện lực và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm hệ thống SCADA theo mô hình đề xuất, đồng thời tổ chức đào tạo nhân lực để đảm bảo vận hành hiệu quả.