Luận văn: Thiết kế hệ thống SCADA/DMS/AMR quản lý lưới điện trung thế tại Bắc Ninh

Luận văn trình bày chi tiết phương án thiết kế hệ thống SCADA/AMR. Giải pháp quản lý và vận hành hiệu quả lưới điện trung thế tại tỉnh Bắc Ninh.

• Tác giả: Nguyễn Tùng Lâm
• Người hướng dẫn: PGS. TS Phạm Văn Bình
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống SCADA/DMS/AMR Quản Lý Và Vận Hành Lưới Điện Trung Thế Tại Tỉnh Bắc Ninh
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống SCADA AMR Quản Lý Lưới Điện Bắc Ninh

Hệ thống SCADA/AMR (Supervisory Control and Data Acquisition/Automated Meter Reading) là giải pháp công nghệ tiên tiến được ứng dụng để quản lý và vận hành lưới điện phân phối tại Bắc Ninh. Hệ thống này tích hợp các công nghệ giám sát từ xa, điều khiển tự động và thu thập dữ liệu thời gian thực nhằm nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng cung cấp điện. Với kiến trúc phân tán hiện đại, SCADA/AMR cho phép các nhân viên điều độ tại trung tâm điều độ có thể theo dõi toàn bộ tình trạng lưới điện, phát hiện và xử lý sự cố kịp thời. Ứng dụng hệ thống đo đếm điện tử từ xa (AMR) giúp thu thập dữ liệu tiêu thụ điện từ khách hàng một cách chính xác, tự động và liên tục, nâng cao độ tin cậy của dữ liệu kinh doanh.

1.1. Khái Niệm Và Chức Năng Chính Của SCADA

SCADA là hệ thống quản lý, giám sát và điều khiển công nghiệp cho phép giám sát tình trạng hoạt động của lưới điện từ xa. Các chức năng chính bao gồm: theo dõi các chỉ số điện áp, dòng điện tại các điểm; phát hiện sự cố và tự động ngắt mạch để bảo vệ thiết bị; điều khiển các thiết bị trên lưới điện như máy biến áp, tụ bù; thu thập và lưu trữ dữ liệu lịch sử để phục vụ phân tích và lập kế hoạch vận hành.

1.2. Vai Trò Của Hệ Thống AMR Trong Quản Lý Lưới

AMR (Automated Meter Reading) là thành phần quan trọng trong hệ thống SCADA, giúp tự động đọc và truyền dữ liệu tiêu thụ điện của khách hàng mà không cần phải cử nhân viên đến từng nhà. Lợi ích của AMR bao gồm: giảm chi phí nhân công; tăng độ chính xác dữ liệu; phát hiện nhanh các vi phạm lợi dụng điện; hỗ trợ tính toán và lập hoá đơn tự động; giúp các nhà cung cấp điện có thông tin kịp thời để điều độ lưới một cách hiệu quả.

II. Kiến Trúc Hệ Thống SCADA DMS AMR Tại Bắc Ninh

Hệ thống SCADA/DMS/AMR tại tỉnh Bắc Ninh được thiết kế theo kiến trúc ba cấp gồm: cấp trung tâm (Control Center), cấp trạm điều khiển (Substation), và cấp cuối (End Devices). Cấp trung tâm điều độ là nơi tập trung tất cả các thông tin từ lưới điện, có các máy tính chủ (Server), thiết bị lưu trữ dữ liệu và giao diện người máy (HMI) cho nhân viên điều độ. Cấp trạm điều khiển bao gồm các máy tính công nghiệp (IPC), bộ điều khiển lập trình (PLC), thiết bị chuyển đổi (Gateway) để kết nối với các thiết bị sơ cấp. Cấp cuối bao gồm công tơ điện tử, các sensor đo lường và thiết bị điều khiển tại các trạm biến áp. Kết nối giữa các cấp thông qua mạng LAN/WAN với giao thức truyền thông IEC 60870-5-104 và Modbus/TCP.

2.1. Cấu Trúc Phần Cứng Hệ Thống

Phần cứng hệ thống SCADA/DMS/AMR bao gồm: tủ máy tính chủ với các server xử lý dữ liệu; thiết bị chuyển mạch Ethernet (Switch) kết nối các thành phần; thiết bị chuyển đổi quang điện để truyền dữ liệu qua khoảng cách xa; máy tính công nghiệp (IPC) tại các trạm; bộ điều khiển lập trình (PLC) điều khiển thiết bị sơ cấp; công tơ điện tử thu thập dữ liệu tiêu thụ điện; modem và module truyền thông để kết nối không dây hoặc qua đường dây tải.

2.2. Phần Mềm Quản Lý Và Điều Hành

Phần mềm SCADA/DMS cung cấp các tính năng: giám sát tình trạng lưới điện theo thời gian thực; báo động khi có sự cố; điều khiển tự động các thiết bị; quản lý dữ liệu tiêu thụ điện từ khách hàng; dự báo phụ tải để tối ưu vận hành; lập báo cáo cho quản lý và điều độ lưới điện hiệu quả hơn.

III. Phương Án Kỹ Thuật Thiết Kế Hệ Thống SCADA DMS AMR

Phương án kỹ thuật thiết kế hệ thống SCADA/DMS/AMR tại Bắc Ninh dựa trên những nhu cầu thực tế của lưới điện tỉnh và các điều kiện địa lý, khí hậu của khu vực. Hệ thống được thiết kế để giám sát và điều khiển các trạm biến áp 110kV, 35kV, 10kV/6kV, các đường dây tải điện và các điểm phát, tiêu thụ điện. Phương án bao gồm việc lắp đặt công tơ điện tử tại tất cả khách hàng để thu thập dữ liệu tiêu thụ; xây dựng mạng truyền thông sử dụng cáp quang, sóng vô tuyến và đường dây tải điện; triển khai trung tâm điều độ với các thiết bị xử lý dữ liệu và phần mềm quản lý tiên tiến; đảm bảo an toàn, bảo mật thông qua mã hóa dữ liệu và kiểm soát truy cập.

3.1. Giải Pháp Thu Thập Và Truyền Tải Dữ Liệu

Hệ thống SCADA/DMS/AMR tại Bắc Ninh sử dụng nhiều kênh truyền dữ liệu đa dạng: dữ liệu qua đường dây tải điện (PLC) tiết kiệm chi phí; qua sóng vô tuyến RF cho các khu vực khó tiếp cận; qua mạng di động 3G/4G và internet cho khách hàng thành phố; qua thiết bị đọc chỉ số cảm tay cho các điểm không có kết nối sẵn. Các dữ liệu được mã hóa và nén trước khi truyền để đảm bảo bảo mật và tiết kiệm băng thông.

3.2. Nâng Cao Độ Tin Cậy Và Hiệu Suất Hệ Thống

Để nâng cao độ tin cậy, hệ thống SCADA/DMS/AMR được thiết kế với cấu trúc dự phòng: hai server chủ hoạt động song song; các thiết bị ngoại vi có sự dự phòng; mạng truyền thông có đường đi dự phòng để đảm bảo liên tục; kiểm tra dữ liệu tự động để phát hiện lỗi truyền; lưu trữ dữ liệu cục bộ tại các trạm để không mất thông tin nếu trung tâm gặp sự cố.

IV. Lợi Ích Và Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống

Triển khai hệ thống SCADA/DMS/AMR tại Bắc Ninh mang lại nhiều lợi ích kinh tế và kỹ thuật cho công ty điện lực địa phương. Về mặt kỹ thuật: cải thiện chất lượng cung cấp điện bằng cách phát hiện và xử lý sự cố nhanh chóng; giảm tổn thất điện năng trên lưới điện; tối ưu vận hành bằng dự báo phụ tải chính xác; bảo vệ thiết bị tốt hơn. Về mặt kinh doanh: giảm chi phí nhân công do tự động đọc chỉ số; tăng doanh thu từ giảm hao hụt; cải thiện dịch vụ khách hàng bằng cung cấp thông tin tiêu thụ chi tiết; hỗ trợ quản lý hiệu quả thông qua dữ liệu kinh doanh đúng và kịp thời. Hệ thống cũng hỗ trợ chuyển đổi số cho ngành điện, giúp tạo nền tảng cho các ứng dụng thông minh trong tương lai.

4.1. Cải Thiện Hiệu Quả Vận Hành Lưới Điện

SCADA/DMS/AMR cho phép nhân viên điều độ theo dõi lưới điện toàn bộ trên một màn hình, phát hiện sự cố trong vài giây và điều khiển các thiết bị để khôi phục nhanh. Hệ thống dự báo phụ tải giúp điều độ cân bằng cung cấp tốt hơn, tối ưu sử dụng tài nguyên và giảm chi phí vận hành. Lịch sử dữ liệu được lưu trữ dài hạn hỗ trợ phân tích, tìm nguyên nhân sự cố và cải thiện vận hành liên tục.

4.2. Tăng Cường Quản Lý Tiêu Thụ Điện Và Doanh Thu

AMR tự động đọc và ghi lại tiêu thụ điện của từng khách hàng hàng ngày, cho phép công ty phát hiện nhanh chóng các trường hợp lợi dụng điện, tính tiền chính xác và giảm tranh chấp với khách hàng. Khách hàng có thể truy cập dữ liệu tiêu thụ của mình để tiết kiệm điện hơn. Dữ liệu tổng hợp giúp công ty lập kế hoạch kinh doanh chính xác và tối ưu cấu trúc cung cấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. i Ly do chon dé tai - - - 2 Lịch sử nghiên cứu và phát triển của lưới diện thông minh (Smat Grid.3 3, Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn. CHUONG 1: TONG QUAN HỆ THONG SCADA/DMS/AMR QUAN LY GIAM SAT, DIEU KHIEN VA THU THAP DV LIEU. 1 HỆ thống quản lý, giám sát, điện khiến và thu thập dữ liệu (SC4724) 7 11 Phần ứng của hệ thắng SCADA.

Kếtnỗi truyền thông trong hệ thông SCADA. Thân mêm của hé thing SCADA. Chức năng chính của hệ thống SCADA. 19 2 Hệ thông phần mềm trợ giúp vận bảnh lưới điện phân phối (DAZ8).

20 3 TIệ thẳng đo đêm điện nằng từ xa (48/70 - - 21 3. Các giải pháp thu thập và tuyển tải đữ liệu do dễm diện mắng lừ xa. Ứng dụng của hệ thống đo đếm điện năng từ xa (AMR) 3. Lại ích của hệ thẳng đo đêm điện năng từ xa AM.

29 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG AN KY THUAT THIET KE HE THONG SCADA/DMS/AMR QUAN LY VA VAN HANH LUOI ĐIỆN TRƯNG AP TAI TINH BAC NINH .31 1 Đặc điểm địa ly tinh Bắc nình. 1 3 Ludi dign tỉnh Bắc ninh. - - 33 21 Tổng quan lướt điện tĩnh Bac mình. Tinh hinh cung cap dién.

233 3 Phan cấp điều độ hệ thông điện Việt Nam. con che 34 4 Chức nắng hệ thống SEADA/ 36 4. Mụetiêu xây dựng hệ thống SCADA/DMS/AMH. Chức năng hệ thống SCADA/DMS/AMR.

ve § Phương án kỹ thuật công nghệ thiết kế hệ thống SCADA/DMS/AMR. — Hệ thống trung tâm. Thiết bị đâu cuối tại các trạm. KếLuii với công tơ điện tử của khách hàng - 47 5.

$5, An toan, bao mat cho hé thong SCADA/DMS/AMR. 48 CHIƯƠNG 3: TIIÉT BỊ PHÄN CUNG IIE TIIONG SCADA/DMS/AMR.50 1 Tệ thông trmg tâm. Cac may H H Hee 50 1. ‘Thiét bi chuyan mach Lithernet (Switch).ccccccccescessssssesssessseeeesannseen ST 13 Thiết bị chuyển đối quang điện.

- 52 L4, Tht bi déng b6 thoi giatt es cecsessssssnntsessenssseesseeeeseseesseeeeen uns ssvassssen! 53 LS. Các thiếtbimạng LAN/WAN.Sđ 3 Thiết bị tại các trạm 110K V. - - - 54 21 'Thiết bị điều khiển có thể lập trình /2/4C - Diserefe Prograrunable Automation Controller). Thiết bị chuyến đổi giao điện kết nói mạng LAN 56 2.

Thiết bị chuyển mach Ethernct (Swieli). - - - 58 3 “Thiết bì tai ede tram trưng gián 35K V1 OKV/6KV. May tính công nghiệp bị thu thập và xứ lý đỡ liệu. Thiết bị điểu khiến khả trình (PL.C-Programmable Logic Controller).

Ung dung du bao ph tai. Module dự báo phụ tải. Phan mdm quan tri hệ thống đo đếm 139 5. Mé-dun giao dign quan ly do dém, giam sat chat lugng dign ning.

Kiểm tra sự đúng đắn của đữ liệu. Phẩn mềm bảo bảo và lập hóa đơn 142 6 Hệ thông dữ liệu quá khử (H18). Xửvà lưutữ dữ hệu 144 63. Khaniing tính toán và Bình điển 146 63.

Khả năng hm trừ lâu đải của Dữ liệu quá khứ 147 65. Hệ thống công đứ liệu Hủời gian thực 147 KET LUAN. 150 TAI LIEU THAM KHAO. DANII MUC CAC KY IIEU, CAC CLIC? VIET TAT Ký hiệu, en chữ viết tắt Điền giải AMR : Automated Meter Reading Hệ thẳng đo đêm điện năng từ xa APDU : Application Pratoval Data Unit Giao thức dit ligu dịch vụ ASDU : Application Service Data Unit Dữ liệu địch vụ AS : Appl in Server May chit ting dung BCU : Bay Control Unit Bộ điều khiến mức ngăn DMS : Distribution Management Sysiem Hệ thẳng phần mm nợ giúp cho vận hành lưới điện phân phối tại các đơn vị điều độ.

HML : Human Machine Interface Giao diện người - máy LAN : Local Area Network Mụng máy tính cục bộ LPDU : Link Protocol Data Unit Giao thức liên kết đít liệu LPCI : Link Protocol Control Information Giao thite lién két kiém soái thông tim LSDU : Link Service Data Unit Lién ket dié lidu dich vu PCBN : Power company of Bac ninh Công ty diện lực Đắc nĩnh PCU : Process Communication Unit Xi lp truyén thong RCS : Remote Communication Server May chi truyền thông DANII MUC CAC IINII VE, DO TIT Hinh 1. 2: Hé thing quan ly, gidm sat, diéu khién va thu thap dé ligu (SC-4DA) 8 Hinh 1. 2: Thiết bị đầu cuối ##Ú) điển hình. on neeieeeriee Tinh 1.

3: Tiệ thẳng SCADA nguyên khéi (Monolithic). 4: Hệ thống SCADA phân bé (Distributed) Linh 1. 5: Lệ thống SCADA Mạng lưới (MeRterked].cccccccoceeeev Hình 1 6: Câu hinh chung phản mềm hệ thông SCADA. 7- Thu thập và truyền tậi dữ liệu qua đường dây tải điện (P7,C-4AMR).

, #: Thu thập vả truyền tái dữ liệu qua sóng vô tuyên đ#F-⁄448). Hình 1 9: Thu thập và truyền tải đữ liệu tới thiết bị đọc chỉ số cảm tay Hinh 1. 10: Thu thập và truyền tôi dữ liệu qua mang Telephone hoặc GDM4/3G/GSM. 21: Tha thap va (ruyén t4i dit Héu qua mạng thông tín di déng, mang rternet.

12; Thu thAp va truyén dit ligu qua mang LP (WAN hodic Internet). 1: Bản dỗ dịa lý tĩnh Bắc ninh. 2: Dễ thị tăng trưởng phụ tải điện tỉnh Bắc Ninh (2001 : 2008). #: Câu trúc bảa mật hệthông SCADA/DMS/AMR Tình 3.

1: Tủ máy tính chủ Hình 3. 2: Thiết bị chuyển mạch Ethernel (Switch). # : Thiết bị chuyển dỗi quang điện. 4 - Đông hả GPS - - Hình 3.

3: Mặt trước và mặt sưu Rơie SEL-2440. 6 : Sơ dỗ chức năng của Role SEL-2440. 7: Thiết bị chuyển đỗi giao điện RS232/485-Ethernet Hinh 3. $®: Thiết bị chuyển rạch Ethemol Switch) DANH MỤC CÁC CÁC ĐỊNH NGĨA, KHÁI NIỆM HE THONG BIEN : Bao gdm có các HA MAY ĐEN, cáo LƯỚI ĐIEN các HỎ LHỤ được liênkết với nhau fhảnh một hệ thông đề thực hiện 4 quá trình sân xuất, truyền tải, phân phôi và tiêu thụ điện răng, NHÀ MÁY ĐIỆN Là nơi sản xuất (chuyên đổi) các dạng năng lượng khác (nước, than, khi, ảnh sáng, sức gió .) ra điện năng íy nhiệt diện: Phả lại, (lông bị .; Nhà máy (hủy Hoa Bink, Sơn La.; Nhà máy điện hạt nhân: Ninh thuận đá tên Điện khai xây dụng trong giai doạn 3012 ~ 2017, công LUGI DIEN Làm nhiệm vụ ưuyễn tải và phần phổi diện mắng Lử Hơi sản xuất đến các hộ tiêu thụ.

Luới điện bao gảm các duong day truyền tại điện và các trạm biển äp. + Lưởi hệ thống : Mỗi các nhà máy điện với nhau và với các mút phụ tâi khu vực. Ở Việt Nam lưới hệ thống đo Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia (40) quản lý và vận hành ở xnức điện áp siêu cao áp 500kV (lả cấp điện áp danh định trên 220k7). + Lưới truyền tải : Từ trạm trưng gian khu vực đến thanh cái cao áp cung cấp điện cho trạm trung gian dịa phương, Ö Việt Nam lưới Truyền tải do Trung tam điều độ hệ thông điện Miễn Bắc (41), Miễn nam (212), Miễn trung (⁄43) quánlý và vận hành ở xuứo điện áp cao áp (là cấp điện áp danh định 35k đến 220kV).

+ Lưới phân phối với điện trung áp); Từ các trạm trung, gian địa phương đến các trạm phụ tải (Đợm phân phối). Luới điện trungng áp (Ïả cấp điện áp danh định từ 10001 đến 35) và phân phối hạ áp (380/220) do điện lực tỉnh quản lý HO TEU THU La khách hàng sử dụng diện và dược chia ra thành các nhóm nohur sau: „1 Hộ loại1 : Hộ liêu thụ quan trọng riếu ngừng cung cấp điện gây nguy hiểm đến sức khóe tính mạng cơn người, gây thiệt hại lớn về kinh tế, an mình, quốc phòng, + Hồ loại 2 : Nếu ngùng cung cấp chỉ gây thiệt hai vẻ kinh tế như quá trình sẵn xuất bị gián đoạn. I Hộ loại 3 : Tà những hộ còn lại 4. Ung dung du bao ph tai.

Module dự báo phụ tải. Phan mdm quan tri hệ thống đo đếm 139 5. Mé-dun giao dign quan ly do dém, giam sat chat lugng dign ning. Kiểm tra sự đúng đắn của đữ liệu.

Phẩn mềm bảo bảo và lập hóa đơn 142 6 Hệ thông dữ liệu quá khử (H18). Xửvà lưutữ dữ hệu 144 63. Khaniing tính toán và Bình điển 146 63. Khả năng hm trừ lâu đải của Dữ liệu quá khứ 147 65.

Hệ thống công đứ liệu Hủời gian thực 147 KET LUAN. 150 TAI LIEU THAM KHAO. DANII MUC CAC KY IIEU, CAC CLIC? VIET TAT Ký hiệu, en chữ viết tắt Điền giải AMR : Automated Meter Reading Hệ thẳng đo đêm điện năng từ xa APDU : Application Pratoval Data Unit Giao thức dit ligu dịch vụ ASDU : Application Service Data Unit Dữ liệu địch vụ AS : Appl in Server May chit ting dung BCU : Bay Control Unit Bộ điều khiến mức ngăn DMS : Distribution Management Sysiem Hệ thẳng phần mm nợ giúp cho vận hành lưới điện phân phối tại các đơn vị điều độ. HML : Human Machine Interface Giao diện người - máy LAN : Local Area Network Mụng máy tính cục bộ LPDU : Link Protocol Data Unit Giao thức liên kết đít liệu LPCI : Link Protocol Control Information Giao thite lién két kiém soái thông tim LSDU : Link Service Data Unit Lién ket dié lidu dich vu PCBN : Power company of Bac ninh Công ty diện lực Đắc nĩnh PCU : Process Communication Unit Xi lp truyén thong RCS : Remote Communication Server May chi truyền thông LOI CAM DOAN Tôi xin cam doan Loan bé ban luận văn này là kết quả nghiên cứu co bản thân tôi thực hiện đưới sự hưởng dẫn của PGS.TS PHÁM VĂN BÌN1I và đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp.

Những số liệu đưa ra là hoàn toàn trung thực, không, vi pham ban quyển của bất kỷ tác giả nào. Hà Nội, ngày. Tác giả luận văn Nguyễn Tùng Lâm RFU : Remote Terminal Unit Thiết bị đặt tại trạm điện phục vụ việc thu thập và biến doi dữ liệu để truyễn về máy tính trung tâm của hệ thông CADA tại các đơn vị điều độ. SCADA : Supervisory Control And Hệ thẳng giám sát, diéu khién và thu thập các đf liệu vận hành của bệ thẳng điện và truyền về hệ thông máy tính trung tâm đỗ xửlý và hiển thị tại các đơm vị điều độ.

: Universal Data Server WAN : Wide Area Network Mang dién réng DANII MUC CAC IINII VE, DO TIT Hinh 1. 2: Hé thing quan ly, gidm sat, diéu khién va thu thap dé ligu (SC-4DA) 8 Hinh 1. 2: Thiết bị đầu cuối ##Ú) điển hình. on neeieeeriee Tinh 1.

3: Tiệ thẳng SCADA nguyên khéi (Monolithic). 4: Hệ thống SCADA phân bé (Distributed) Linh 1. 5: Lệ thống SCADA Mạng lưới (MeRterked].cccccccoceeeev Hình 1 6: Câu hinh chung phản mềm hệ thông SCADA. 7- Thu thập và truyền tậi dữ liệu qua đường dây tải điện (P7,C-4AMR).

, #: Thu thập vả truyền tái dữ liệu qua sóng vô tuyên đ#F-⁄448). Hình 1 9: Thu thập và truyền tải đữ liệu tới thiết bị đọc chỉ số cảm tay Hinh 1. 10: Thu thập và truyền tôi dữ liệu qua mang Telephone hoặc GDM4/3G/GSM. 21: Tha thap va (ruyén t4i dit Héu qua mạng thông tín di déng, mang rternet.