Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện Việt Nam đang trong quá trình hiện đại hóa mạnh mẽ với sự gia tăng số lượng trạm biến áp (TBA) và đường dây truyền tải nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của phụ tải điện. Theo ước tính, các trạm biến áp có cấp điện áp 110kV, 220kV và 500kV đều được đầu tư đồng bộ hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) để nâng cao hiệu quả vận hành và giám sát. Trạm biến áp 110kV Tiên Du, thuộc Công ty Điện lực Bắc Ninh, được xây dựng từ tháng 4/2021 và đóng điện tháng 5/2022, với công suất 2x63MVA, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện ổn định cho khu vực.

Nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng hệ thống SCADA cho trạm biến áp 110kV Tiên Du nhằm thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát từ xa thông qua nền tảng Web SCADA kết hợp với IoT Vbox. Mục tiêu cụ thể là xây dựng giải pháp điều khiển, thu thập và xử lý dữ liệu theo thời gian thực, giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành trạm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hệ thống SCADA, sơ đồ nguyên lý, thiết bị tại trạm, hệ thống truyền thông và thuật toán điều khiển trên nền tảng V-NET.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện khả năng giám sát, điều khiển từ xa, giảm thiểu thời gian xử lý sự cố và nâng cao chất lượng cung cấp điện. Các chỉ số vận hành như thời gian phản hồi, độ chính xác thu thập dữ liệu và tỉ lệ sự cố được kỳ vọng cải thiện rõ rệt, góp phần đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điện khu vực Bắc Ninh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết hệ thống SCADA: SCADA là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu tự động, sử dụng PLC/RTU để thu thập thông tin và điều khiển thiết bị từ xa. Hệ thống bao gồm các thành phần chính như máy tính chủ, thiết bị đầu cuối RTU, giao diện người-máy (HMI), và hệ thống truyền thông.

  • Mô hình truyền thông TCP/IP và MODBUS: Giao thức TCP/IP được sử dụng làm nền tảng truyền thông mạng, trong khi MODBUS là chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp phổ biến trong SCADA, hỗ trợ truyền dữ liệu chủ-khách giữa các thiết bị PLC và RTU.

  • Khái niệm IoT trong tự động hóa công nghiệp: IoT Vbox được ứng dụng như một thiết bị trung gian kết nối các thiết bị đo lường, điều khiển với nền tảng đám mây, cho phép giám sát và điều khiển từ xa qua mạng Internet.

Các khái niệm chính bao gồm: RTU (Remote Terminal Unit), PLC (Programmable Logic Controller), HMI (Human Machine Interface), giao thức truyền thông RS485/RS232, và hệ thống điện một chiều trong trạm biến áp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu, khảo sát thực trạng và phân tích kỹ thuật:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu kỹ thuật từ trạm biến áp 110kV Tiên Du, tài liệu kỹ thuật thiết bị, các tiêu chuẩn quốc tế và trong nước về SCADA và truyền thông công nghiệp.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích sơ đồ nguyên lý, cấu trúc hệ thống SCADA, đánh giá các thiết bị đo lường và điều khiển, mô phỏng thuật toán điều khiển trên nền tảng V-NET. Sử dụng thống kê để đánh giá hiệu quả thu thập và truyền dữ liệu.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2022 đến tháng 6/2023, bao gồm các giai đoạn khảo sát hiện trạng, thiết kế hệ thống, triển khai mô hình thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ thiết bị và hệ thống tại trạm biến áp 110kV Tiên Du, với phương pháp chọn mẫu toàn diện nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả thu thập dữ liệu theo thời gian thực: Hệ thống SCADA kết hợp IoT Vbox cho phép thu thập dữ liệu điện áp, dòng điện, trạng thái thiết bị với độ trễ dưới 2 giây, tăng 30% so với hệ thống truyền thống. Tỉ lệ dữ liệu bị mất mát giảm xuống dưới 1%.

  2. Khả năng điều khiển từ xa chính xác và an toàn: Thuật toán điều khiển trên nền tảng V-NET giúp thực hiện các thao tác đóng/cắt máy cắt, dao cách ly với độ chính xác 99,5%, giảm thiểu sai sót thao tác thủ công. Thời gian phản hồi lệnh điều khiển trung bình là 1,5 giây.

  3. Tăng cường giám sát và cảnh báo sự cố: Hệ thống ghi nhận và lưu trữ các sự kiện, thông số vận hành, giúp phát hiện sớm các bất thường như quá tải, sự cố ắc quy với tỉ lệ cảnh báo chính xác đạt 95%. So với các nghiên cứu trước đây, hệ thống này cải thiện khả năng dự báo sự cố lên 20%.

  4. Tối ưu hóa truyền thông và bảo mật: Việc sử dụng giao thức TCP/IP kết hợp chuẩn truyền thông RS485 và RS232 đảm bảo truyền dữ liệu ổn định trên khoảng cách 1200m, với tốc độ truyền lên đến 115.200 baud. Hệ thống bảo mật đa lớp giúp ngăn chặn truy cập trái phép, đảm bảo an toàn thông tin.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả tích cực trên là do việc ứng dụng công nghệ IoT Vbox hiện đại, kết hợp với giao thức truyền thông chuẩn và thuật toán điều khiển tối ưu trên nền tảng V-NET. So với các hệ thống SCADA truyền thống, giải pháp này giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhân lực trực tiếp tại trạm, đồng thời nâng cao khả năng giám sát và xử lý sự cố nhanh chóng.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong ngành tự động hóa công nghiệp, đồng thời đáp ứng yêu cầu vận hành an toàn và hiệu quả của hệ thống điện hiện đại. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thời gian thực về điện áp, dòng điện, trạng thái thiết bị và bảng thống kê sự cố, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và ra quyết định.

Việc triển khai hệ thống SCADA với IoT Vbox tại trạm biến áp 110kV Tiên Du không chỉ nâng cao chất lượng cung cấp điện mà còn góp phần giảm chi phí vận hành và bảo trì, đồng thời tăng cường khả năng mở rộng và tích hợp trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai mở rộng hệ thống SCADA IoT tại các trạm biến áp khác: Áp dụng giải pháp Web SCADA kết hợp IoT Vbox cho các trạm biến áp 110kV trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh trong vòng 12 tháng tới nhằm đồng bộ hóa hệ thống giám sát và điều khiển.

  2. Đào tạo nâng cao năng lực vận hành cho cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành hệ thống SCADA và IoT cho nhân viên trạm, tập trung vào kỹ năng sử dụng giao diện HMI và xử lý sự cố, với mục tiêu nâng cao tỉ lệ thao tác chính xác lên trên 98% trong 6 tháng.

  3. Cải tiến hệ thống truyền thông và bảo mật: Nâng cấp hạ tầng mạng LAN và WAN, áp dụng các giải pháp bảo mật đa lớp, mã hóa dữ liệu nhằm giảm thiểu rủi ro an ninh mạng, đảm bảo độ ổn định truyền thông trên 99,9% trong năm đầu triển khai.

  4. Phát triển hệ thống cảnh báo và phân tích dữ liệu nâng cao: Tích hợp các công cụ phân tích dữ liệu lớn (Big Data) và trí tuệ nhân tạo để dự báo sự cố và tối ưu hóa vận hành, hướng tới giảm thời gian xử lý sự cố xuống dưới 5 phút trong vòng 18 tháng.

Các giải pháp trên cần sự phối hợp chặt chẽ giữa Công ty Điện lực Bắc Ninh, các đơn vị cung cấp thiết bị và nhà phát triển phần mềm, đồng thời có sự hỗ trợ từ các cơ quan quản lý ngành điện để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và cán bộ vận hành trạm biến áp: Nghiên cứu cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế và vận hành hệ thống SCADA tích hợp IoT, giúp nâng cao hiệu quả giám sát và điều khiển từ xa.

  2. Chuyên gia tự động hóa công nghiệp: Tham khảo các giải pháp ứng dụng công nghệ IoT Vbox và giao thức truyền thông TCP/IP, MODBUS trong hệ thống điện, phục vụ phát triển các dự án tự động hóa tương tự.

  3. Nhà quản lý ngành điện và các đơn vị điện lực: Hiểu rõ về lợi ích và hiệu quả kinh tế khi đầu tư nâng cấp hệ thống SCADA, từ đó xây dựng kế hoạch phát triển hạ tầng điện thông minh.

  4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện, tự động hóa: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và mô hình thực nghiệm cụ thể, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu về SCADA và IoT trong ngành điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống SCADA là gì và vai trò trong trạm biến áp?
    SCADA là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu tự động, giúp theo dõi trạng thái thiết bị, thu thập thông số vận hành và điều khiển từ xa. Trong trạm biến áp, SCADA đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả và xử lý sự cố nhanh chóng.

  2. Tại sao sử dụng IoT Vbox trong hệ thống SCADA?
    IoT Vbox hỗ trợ kết nối đa dạng với các thiết bị PLC, RTU qua RS485/RS232 và truyền dữ liệu qua Ethernet/WiFi/4G, giúp giám sát và điều khiển từ xa qua nền tảng đám mây, tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng hệ thống.

  3. Giao thức truyền thông nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng giao thức TCP/IP làm nền tảng mạng, kết hợp chuẩn MODBUS để truyền thông chủ-khách giữa các thiết bị PLC và RTU, đảm bảo truyền dữ liệu ổn định và tương thích với nhiều thiết bị.

  4. Hệ thống SCADA có thể phát hiện sự cố như thế nào?
    Hệ thống ghi nhận các thông số vận hành và sự kiện, sử dụng thuật toán phân tích để cảnh báo sớm các bất thường như quá tải, sự cố ắc quy, giúp nhân viên vận hành xử lý kịp thời, giảm thiểu thiệt hại.

  5. Lợi ích kinh tế khi ứng dụng hệ thống SCADA IoT là gì?
    Ứng dụng SCADA IoT giúp giảm chi phí nhân công, tăng hiệu quả vận hành, giảm thời gian ngừng máy do sự cố, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, từ đó tiết kiệm chi phí bảo trì và nâng cao năng suất hệ thống điện.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thiết kế và triển khai thành công hệ thống SCADA ứng dụng IoT Vbox cho trạm biến áp 110kV Tiên Du, nâng cao khả năng giám sát và điều khiển từ xa.
  • Hệ thống thu thập dữ liệu theo thời gian thực với độ trễ dưới 2 giây, tỉ lệ mất dữ liệu dưới 1%, đáp ứng yêu cầu vận hành hiện đại.
  • Thuật toán điều khiển trên nền tảng V-NET đảm bảo thao tác đóng/cắt chính xác trên 99,5%, giảm thiểu sai sót và tăng tính an toàn.
  • Giải pháp truyền thông TCP/IP kết hợp RS485/RS232 đảm bảo truyền dữ liệu ổn định, bảo mật cao và khả năng mở rộng linh hoạt.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng hệ thống SCADA IoT tại các trạm biến áp khác, đồng thời nâng cao năng lực vận hành và cải tiến hệ thống truyền thông, bảo mật trong thời gian tới.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp đề xuất, tổ chức đào tạo nhân lực và đánh giá hiệu quả thực tế để hoàn thiện hệ thống. Mời các đơn vị điện lực và chuyên gia trong ngành phối hợp nghiên cứu, ứng dụng để phát triển hệ thống điện thông minh, bền vững.