Tối ưu hóa tính năng RTU qua kết nối thiết bị điện tử thông minh tại trạm điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện khai thác hiệu quả tính năng sẵn có của rtu qua việc kết nối với các, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Quang Hiếu Trung
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hoàng Việt
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng & Nhà Máy Điện
• Đề tài: Tối ưu hóa tính năng RTU trong thiết bị mạng và nhà máy điện thông qua kết nối với thiết bị điện tử thông minh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• THESIS SUMMARY
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Giới hạn của đề tài
• 1.7. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC TRẠNG VỀ HỆ THỐNG SCADA / EMS DO TRUNG TÂM ĐIỀU ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM QUẢN LÝ
• 2.1. Sơ lược về trung tâm điều độ hệ thống điện miền nam (A2)
• 2.2. Hiện trạng về hệ thống scada/ems lắp đặt tại A2
• 2.2.1. Cấu hình phần cứng
• 2.2.2. Cấu hình phần mềm
• 2.3. Hiện trạng hệ thống scada/rtu lắp đặt tại các trạm
• 2.3.1. Các loại RTU đang hoạt động trong hệ thống Scada/RTU do A2 quản lý
• 2.3.1.1. Khái niệm về thiết bị RTU (Remote Terminal Unit)
• 2.3.1.2. Loại RTU do hãng Microsol (Pháp) sản xuất
• 2.3.1.3. Loại RTU 560C do hãng ABB (Thụy Sỹ) chế tạo
• 2.3.2. Cách thức thu thập và xử lý dữ liệu theo phương thức truyền thống của hệ thống SCADA/RTU tại các trạm
• 2.4. Đánh giá hiện trạng của hệ thống scada do a2 đang quản lý
• 2.4.1. Đánh giá hiện trạng hệ thống Scada tại Trung tâm A2
• 2.4.1.1. Nhược điểm
• 2.4.1.2. Hướng phát triển trong thời gian tới
• 2.4.2. Đánh giá hiện trạng hệ thống RTU do A2 quản lý tại các trạm
• 2.4.2.1. Nhược điểm
• 2.4.2.2. Hướng phát triển trong thời gian tới
• 3. CHƯƠNG 3: TRÌNH BÀY GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT
• 3.1. Đề xuất giải pháp
• 3.1.1. Nội dung của giải pháp
• 3.1.2. Các bước thực hiện của giải pháp
• 3.1.3. So sánh giữa phương pháp đấu nối truyền thống và phương pháp đấu nối của giải pháp đề xuất
• 3.2. Các chuẩn giao thức thông dụng hiện nay
• 3.2.1. Tổng quan về giao thức và giao diện
• 3.2.2. Nguyên tắc kết nối
• 3.2.3. Các chuẩn giao thức thông dụng
• 3.2.3.1. Cấu trúc giao thức OSI
• 3.2.3.2. Cấu trúc giao thức TCP/IP
• 3.2.3.3. Các kiểu đấu dây
• 3.2.3.4. Giao thức Modbus
• 3.2.3.5. Giao thức IEC 60870-5-101
• 3.2.3.6. Giao thức IEC 60870-5-104
• 3.2.3.7. Giao thức IEC 61850
• 3.3. Các phần mềm (tool) phục vụ cho việc cấu hình rtu
• 3.3.1. Phần mềm RTUtil560
• 3.3.2. RTU560 Web - Server
• 3.3.3. Phần mềm giao diện người – máy (HMI)
• 3.3.3.1. Chức năng giám sát
• 3.3.3.2. Giao diện hiển thị thông tin giám sát
• 3.3.3.3. Các thông tin giám sát
• 3.3.3.4. Các module ứng dụng khác
• 3.3.4. Giới thiệu phần mềm PCM600 được sử dụng trong hệ thống
• 3.3.4.1. Cách tạo một dự án trong PCM600
• 3.3.5. Giới thiệu phần mềm CCT ứng dụng trong hệ thống
• 3.3.5.1. Cách tạo một dự án trong phần mềm CCT
• 4. CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH TRIỂN KHAI THỰC HIỆN CỤ THỂ CHO GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT
• 4.1. Ví dụ minh họa cho giải pháp
• 4.1.1. Hiện trạng hệ thống Scada của trạm Tân Mai 110 kV
• 4.1.2. Giải pháp đề xuất cho trạm Tân Mai
• 4.2. Mô tả các thiết bị sử dụng trong giải pháp
• 4.2.1. Thiết bị RTU560
• 4.2.1.1. Cấu hình thiết bị RTU 560 của A2 theo giải pháp mới tại trạm Tân Mai
• 4.2.1.2. Cấu hình thiết bị RTU 560 của PC Đồng Nai tại trạm Tân Mai
• 4.2.2. Thiết bị tích hợp điều khiển, đo đếm và bảo vệ (IEDs)
• 4.2.2.1. Bộ đo đếm điện năng Multimeter Vamp 260 – Schneider
• 4.2.2.2. Relay Toshiba GR - series
• 4.2.2.3. Transducer CVT10 của hãng ABB
• 4.3. Cấu hình các thiết bị và đấu dây
• 4.3.1. Các bước kết nối thiết bị RTU560 A2 và transducer CVT theo chuẩn Modbus
• 4.3.2. Các bước kết nối thiết bị RTU560 PC Đồng Nai và Relay GRZ110, GRZ140 Toshiba, Vamp 260 theo chuẩn IEC 61850
• 4.3.3. Các bước cấu hình hệ thống kết nối giữa RTU560 và thiết bị IED (Relay GR-series, Vamp 260)
• 4.3.4. Các bước kết nối thiết bị RTU560 của A2 và RTU560 của PC Đồng Nai theo chuẩn IEC 8705-104
• 4.3.5. Cấu hình thiết bị cho RTU A2 bằng RTUtil
• 4.3.6. Cấu hình thiết bị cho RTU PC Đồng Nai bằng RTUtil
• 4.4. Xây dựng HMI tại trạm 110kV Tân Mai
• 4.4.1. Cài đặt các phần mềm ứng dụng trên máy tính
• 4.4.2. Các bước tạo sơ đồ 1 sợi trạm trạm 110kV Tân Mai
• 4.5. Các kết nối giữa các thiết bị ied tại trạm tân mai
• 4.5.1. Kết nối giữa hệ thống RTU của PC Đồng Nai và các thiết bị Vamp, Relay GR-series
• 4.5.2. Kết nối giữa hệ thống RTU của PC Đồng Nai và hệ thống RTU của Trung tâm Điều độ hệ thống điện miền Nam
• 4.6. So sánh dữ liệu thu thập từ rtu và giá trị thực tế từ thiết bị hiện hữu của trạm tân mai
• 4.6.1. Dữ liệu Scada thu thập từ hệ thống RTU 560
• 4.6.2. Dữ liệu thực tế mà các thiết bị đo đếm của trạm thể hiện
• 4.6.2.1. Dữ liệu do các đồng hồ đo đếm của ngăn 172 thể hiện
• 4.6.2.2. Dữ liệu do các đồng hồ đo đếm của ngăn 131 (MBA 1T) thể hiện
• 5. CHƯƠNG 5: NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN
• 5.1. Nhận xét giải pháp
• 5.2. Đánh giá giải pháp
• 5.2.1. Hiệu quả về kinh tế
• 5.2.2. Hiệu quả về môi trường - xã hội
• 5.2.3. Hiệu quả về mặt kỹ thuật
• 5.3. Những kết luận quan trọng
• 5.4. Ý nghĩa của đề tài
• 5.5. Các kiến nghị, đề xuất
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

Tóm tắt

I. Tối ưu hóa tính năng RTU

Việc tối ưu hóa RTU trong thiết bị mạng và nhà máy điện là một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. RTU (Remote Terminal Unit) là thiết bị đo xa đầu cuối, có vai trò thu thập và truyền tải dữ liệu từ các thiết bị điện tử thông minh (IED) đến trung tâm điều khiển. Giải pháp kết nối giữa RTU và IED thông qua các chuẩn giao thức thông dụng như Modbus TCP, IEC 61850, và IEC 60870-103 giúp tăng cường khả năng giám sát và điều khiển từ xa. Việc áp dụng các công nghệ này không chỉ giảm thiểu chi phí đấu nối mà còn nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu thu thập được.

1.1. Giới thiệu về RTU và IED

RTU là thiết bị quan trọng trong hệ thống SCADA, giúp thu thập dữ liệu từ các thiết bị điện và truyền tải về trung tâm điều khiển. IED (Intelligent Electronic Device) là thiết bị điện tử thông minh, có khả năng thực hiện nhiều chức năng như đo đếm, bảo vệ và điều khiển. Việc kết nối RTU với IED thông qua các giao thức như Modbus TCP và IEC 61850 cho phép thu thập dữ liệu một cách hiệu quả và chính xác. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

II. Các chuẩn giao thức thông dụng

Các chuẩn giao thức như Modbus TCP, IEC 61850, và IEC 60870-103 đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối RTU với IED. Modbus TCP là một giao thức truyền thông phổ biến, cho phép truyền tải dữ liệu qua mạng Ethernet. IEC 61850 là tiêu chuẩn quốc tế cho hệ thống tự động hóa điện, cung cấp khả năng tương tác giữa các thiết bị khác nhau. IEC 60870-103 là giao thức dành cho hệ thống điều khiển từ xa, giúp truyền tải dữ liệu một cách an toàn và hiệu quả. Việc áp dụng các giao thức này không chỉ giúp đơn giản hóa quá trình đấu nối mà còn nâng cao khả năng giám sát và điều khiển từ xa.

2.1. Lợi ích của việc sử dụng các chuẩn giao thức

Việc sử dụng các chuẩn giao thức thông dụng mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống SCADA. Đầu tiên, nó giúp giảm thiểu chi phí đấu nối và bảo trì hệ thống. Thứ hai, các giao thức này cho phép thu thập dữ liệu một cách nhanh chóng và chính xác, đáp ứng nhu cầu của các đơn vị điều hành. Cuối cùng, việc áp dụng các giao thức này còn giúp nâng cao tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống, cho phép tích hợp thêm các thiết bị mới trong tương lai.

III. Thực trạng và giải pháp đề xuất

Thực trạng hiện nay cho thấy nhiều hệ thống SCADA vẫn sử dụng phương pháp đấu nối truyền thống, dẫn đến nhiều bất cập như chi phí cao, độ chính xác thấp và khó khăn trong việc bảo trì. Giải pháp đề xuất là áp dụng các chuẩn giao thức thông dụng để kết nối RTU với IED, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống. Việc triển khai giải pháp này tại các trạm biến áp thực tế đã cho thấy kết quả khả quan, với khả năng thu thập dữ liệu chính xác và nhanh chóng hơn so với phương pháp truyền thống.

3.1. Kết quả triển khai giải pháp

Kết quả triển khai giải pháp kết nối RTU với IED cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc thu thập và giám sát dữ liệu. Các thiết bị IED được tích hợp vào hệ thống giúp nâng cao khả năng điều khiển từ xa và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành. Hệ thống cũng cho phép thu thập nhiều thông số hơn, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của các cấp điều hành khác nhau. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điều hành lưới điện hiện đại đòi hỏi khả năng giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực với độ chính xác tuyệt đối. Tại khu vực phía Nam, Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Nam quản lý mạng lưới SCADA gồm hơn 137 thiết bị đầu cuối RTU cùng hơn 25.000 điểm đo dữ liệu từ các trạm biến áp và nhà máy điện. Tuy nhiên, phương thức đấu nối cứng truyền thống theo kiểu từng điểm đã bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng. Cách làm cũ đòi hỏi hàng nghìn mét cáp tín hiệu, can thiệp trực tiếp vào mạch nhị thứ của biến dòng điện và biến điện áp, tiềm ẩn rủi ro sự cố cao và chỉ thu thập được tối đa 4 thông số cơ bản cho mỗi bộ biến đổi đo lường.

Đề tài tập trung giải quyết bài toán khai thác tối đa năng lực xử lý của các thiết bị RTU hiện đại thông qua việc tích hợp truyền thông số với các thiết bị điện tử thông minh trong trạm biến áp. Nghiên cứu xác định mục tiêu cụ thể là xây dựng cấu hình giao tiếp chuẩn hóa, chuyển đổi từ phương thức đấu nối vật lý sang kết nối mạng dữ liệu, đồng thời thiết lập cơ sở dữ liệu dùng chung phục vụ đa dạng nhu cầu điều hành.

Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại trạm biến áp 110kV Tân Mai thuộc Công ty Điện lực Đồng Nai trong giai đoạn từ tháng 01 năm 2013 đến tháng 06 năm 2013. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kỹ thuật và kinh tế vượt trội, giúp cắt giảm hơn 70% khối lượng cáp nhị thứ, nâng cao độ chính xác thu thập dữ liệu lên trên 99,8%, loại bỏ hoàn toàn thời gian gián đoạn cung cấp điện phục vụ thi công và tạo tiền đề vững chắc cho lộ trình chuyển đổi trạm biến áp không người trực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu SCADA kết hợp hệ thống quản lý năng lượng EMS theo mô hình phân cấp 3 tầng gồm: Trung tâm điều khiển, mạng truyền thông trạm và mức ngăn lộ. Hệ thống vận hành dựa trên mô hình chuẩn hóa 7 tầng của Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế ISO kết hợp cấu trúc giao thức TCP/IP.

Ba nhóm giao thức truyền thông công nghiệp chủ đạo được tích hợp trong mô hình nghiên cứu bao gồm:

1. Giao thức Modbus RTU và Modbus TCP: Chuẩn giao tiếp Master-Slave hỗ trợ truyền nhận dữ liệu số hóa dạng số nguyên trực tiếp từ các đồng hồ đo đếm đa năng Multimeter với cổng truyền thông RS485 và Ethernet 10/100 Mbps.
2. Giao thức IEC 60870-5-101 và IEC 60870-5-104: Tiêu chuẩn truyền tin viễn thông phục vụ truyền số liệu giám sát và điều khiển giữa thiết bị RTU và Trung tâm Điều độ qua đường truyền nối tiếp hoặc mạng diện rộng.
3. Giao thức IEC 61850: Tiêu chuẩn quốc tế về mạng và hệ thống truyền thông trong trạm biến áp, định nghĩa cấu trúc dữ liệu hướng đối tượng thông qua các nút logic chuyên biệt.

Các khái niệm kỹ thuật trọng tâm bao gồm Thiết bị đo xa đầu cuối RTU với vi xử lý 32-bit, Thiết bị điện tử thông minh IED tích hợp bảo vệ và đo lường, Khối dữ liệu dịch vụ ứng dụng ASDU và hệ thống tệp tin cấu hình chuẩn hóa mô tả trạm biến áp.

+-------------------------------------------------------------------+
|               TRUNG TÂM ĐIỀU ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN (A2)                |
|                    Hệ thống SCADA / EMS Server                    |
+---------------------------------+---------------------------------+
                                  |
            Giao thức IEC 60870-5-101 / IEC 60870-5-104
                                  |
+---------------------------------v---------------------------------+
|               THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI ĐO XA TẠI TRẠM (RTU560)            |
|       Card CMU05 (CPU 133MHz, 128MB Flash, 64MB RAM, Web-Server)  |
+---------+-----------------------+-----------------------+---------+
          |                       |                       |
   Giao thức Modbus        Giao thức IEC 61850     Giao thức IEC 60870-5-103
   (Cổng RS485/Ethernet)   (Mạng LAN trạm RJ45)    (Cổng nối tiếp RS485)
          |                       |                       |
+---------v---------+   +---------v---------+   +---------v---------+
|  ĐỒNG HỒ ĐA NĂNG  |   | RƠ LE BẢO VỆ SỐ   |   | BỘ ĐO LƯỜNG SỐ    |
| Schneider Vamp 260|   | Toshiba GR-series |   | ABB CVT10 & Khác  |
+-------------------+   +-------------------+   +-------------------+

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật thực tế thu thập từ 137 trạm biến áp và nhà máy điện trong hệ thống điện miền Nam, đồng thời khai thác hồ sơ thiết kế nhị thứ tại Công ty Điện lực Đồng Nai.

Cỡ mẫu nghiên cứu được xác định theo phương pháp chọn mẫu điển hình có chủ đích, tập trung vào 01 trạm biến áp 110kV Tân Mai có cấu hình 2 máy biến áp lực 110/22kV. Trạm trang bị đầy đủ các dòng thiết bị điện tử đại diện gồm rơ le bảo vệ kỹ thuật số Toshiba dòng GR, thiết bị đo đếm điện năng Schneider Vamp 260 và bộ biến đổi đo lường ABB CVT10. Lý do lựa chọn phương pháp chọn mẫu này là nhằm đảm bảo tính đại diện cho mô hình trạm biến áp trung gian đang trong quá trình hiện đại hóa của ngành điện.

Phương pháp phân tích thực nghiệm kết hợp đối sánh số liệu thời gian thực được lựa chọn vì cho phép kiểm chứng trực tiếp độ chính xác của luồng dữ liệu truyền qua cổng mạng so với giá trị đo tại chỗ. Quy trình thực nghiệm sử dụng bộ công cụ phần mềm chuyên dụng gồm RTUtil560 để thiết lập cấu hình RTU, phần mềm PCM600 để khởi tạo thuộc tính IED và công cụ CCT để liên kết báo cáo logic IEC 61850. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, cấu hình và thử nghiệm được hoàn thành trong chu kỳ 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình triển khai thực nghiệm giải pháp kết nối RTU với các thiết bị điện tử thông minh tại trạm biến áp 110kV Tân Mai đã mang lại những kết quả kỹ thuật nổi bật:

Thứ nhất, số lượng thông số vận hành thu thập được tăng lên gấp 3 đến 4 lần so với phương pháp truyền thống. Khi sử dụng bộ biến đổi tương tự cũ, hệ thống chỉ lấy được 4 tín hiệu công suất và điện áp tổng. Trong khi đó, việc kết nối số qua cổng Modbus của thiết bị Vamp 260 đã cung cấp đầy đủ hơn 15 thông số chi tiết gồm dòng điện từng pha, dòng thứ tự không, điện áp pha, công suất tác dụng, công suất phản kháng, hệ số công suất và thành phần sóng hài với chu kỳ quét dưới 2 giây.

Thứ hai, cấu hình phần cứng trạm được tinh gọn rõ rệt, giúp giảm tới 85% số lượng card mở rộng đầu vào tương tự 23AE23 và card đầu vào số 23BE23 tại khung máy RTU560. Toàn bộ các mạch nối trung gian phức tạp được thay thế bằng các tuyến cáp truyền thông chuẩn hóa RS485 và cáp mạng Ethernet.

Thứ ba, sai số đo lường giảm từ mức 1,5% đến 2,5% của phương thức chuyển đổi tương tự xuống còn dưới 0,2% khi truyền nhận dữ liệu số trực tiếp. Dữ liệu trạng thái máy cắt và dao cách ly qua nút logic XCBR11 đạt thời gian ghi nhận biến đổi chính xác ở mức 1 mili giây.

Thứ tư, nghiên cứu đã thiết lập thành công mô hình cơ sở dữ liệu phân luồng song song. Một thiết bị RTU560 duy nhất có thể đồng thời truyền dữ liệu về Trung tâm Điều độ A2 theo chuẩn IEC 60870-5-104 và cung cấp dữ liệu giám sát trực quan lên giao diện đồ họa HMI tại chỗ cho Công ty Điện lực Đồng Nai.

+---------------------------------------------------------------------------------+
|                       ĐỐI CHIẾU DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG NGĂN LỘ 172                    |
+-------------------+--------------------+--------------------+-------------------+
| Thông số kỹ thuật | Đo tại chỗ (Vamp)  | Thu thập qua RTU   | Sai số tương đối  |
+-------------------+--------------------+--------------------+-------------------+
| Dòng điện pha A   | 245,6 A            | 245,5 A            | 0,04 %            |
| Dòng điện pha B   | 248,2 A            | 248,1 A            | 0,04 %            |
| Dòng điện pha C   | 246,0 A            | 246,0 A            | 0,00 %            |
| Điện áp pha A     | 63,51 kV           | 63,50 kV           | 0,02 %            |
| Điện áp pha B     | 63,48 kV           | 63,48 kV           | 0,00 %            |
| Điện áp pha C     | 63,55 kV           | 63,54 kV           | 0,02 %            |
| Công suất P tổng  | 45,2 MW            | 45,2 MW            | 0,00 %            |
| Công suất Q tổng  | 12,8 MVAr          | 12,8 MVAr          | 0,00 %            |
+-------------------+--------------------+--------------------+-------------------+

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp giải pháp mới đạt độ chính xác vượt trội là do dữ liệu được số hóa ngay tại bộ vi xử lý của rơ le bảo vệ và đồng hồ đa năng. Quá trình truyền số liệu qua giao thức mạng đã triệt tiêu hoàn toàn các bước biến đổi trung gian tín hiệu tương tự sang dòng điện 4 đến 20 miliampe vốn thường bị suy hao và nhiễu điện từ.

Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây đề xuất sử dụng máy tính cá nhân làm bộ chuyển đổi cổng giao tiếp, giải pháp tích hợp trực tiếp trên RTU560 thể hiện tính ưu việt hoàn toàn. Máy tính thông thường tiềm ẩn độ rủi ro cao do sử dụng ổ đĩa cứng quay cơ học, khả năng tản nhiệt kém trong môi trường trạm và nguy cơ nhiễm mã độc. Ngược lại, RTU560 sử dụng bộ vi xử lý chuyên dụng 133 MHz, bộ nhớ Flash 128 MB và hệ điều hành thời gian thực, đảm bảo vận hành liên tục 24/7 với độ tin cậy tuyệt đối.

Các dữ liệu đo lường thực nghiệm tại ngăn lộ đường dây 172 và ngăn máy biến áp 131 cho thấy sự trùng khớp gần như tuyệt đối giữa màn hình HMI và giá trị hiển thị thực tế tại tủ điều khiển. Sự tương thích này khẳng định cấu hình tệp tin SCD xuất từ công cụ CCT đã liên kết chính xác các khối báo cáo của rơ le Toshiba vào cây truyền thông của RTU560.

SO SÁNH CÁC CHỈ SỐ KỸ THUẬT VẬN HÀNH
==================================================================
Chỉ tiêu đánh giá      | Phương pháp cũ       | Giải pháp đề xuất
-----------------------+----------------------+-------------------
Số thông số đo lường   | 4 thông số           | 15 thông số
Khối lượng cáp tín hiệu| 100%                 | 30% (giảm 70%)
Sai số đo lường        | 1,5% - 2,5%          | < 0,2%
Thời gian thi công trạm| 15 - 20 ngày         | 3 - 5 ngày
Nguy cơ sự cố nhị thứ  | Cao                  | Triệt tiêu hoàn toàn
==================================================================

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm thành công, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm hoàn thiện hệ thống SCADA toàn diện:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình cấu hình giao thức truyền thông cho toàn bộ 137 trạm biến áp trong hệ thống điện miền Nam. Ban Kỹ thuật thuộc Tổng công ty Điện lực miền Nam cần chủ trì biên soạn tài liệu hướng dẫn chuẩn về lập trình tệp tin CID và ICD cho các dòng rơ le số thông dụng, hoàn thành áp dụng đại trà trong giai đoạn 2013-2015 nhằm nâng tỷ lệ đồng bộ hóa dữ liệu lên 100%.

Thứ hai, thực hiện lộ trình nâng cấp và thay thế từng bước 80 thiết bị RTU Microsol thế hệ cũ sang dòng RTU cấu trúc mở như ABB RTU560 hoặc thiết bị tương đương. Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Nam chịu trách nhiệm lập kế hoạch đầu tư thay thế dứt điểm trước quý 4 năm 2016, mục tiêu mở rộng tối thiểu 6 cổng truyền thông nối tiếp và 2 cổng Ethernet cho mỗi trạm.

Thứ ba, thiết lập kiến trúc cơ sở dữ liệu dùng chung tại các trạm biến áp có nhiều đơn vị cùng khai thác. Đơn vị quản lý vận hành cần phân quyền truy cập dữ liệu trực tiếp từ RTU qua cổng IEC 60870-5-104 cho cấp điều độ miền và cổng nội bộ cho các công ty điện lực địa phương, giúp cắt giảm 50% chi phí đầu tư các hệ thống thu thập số liệu trùng lặp trong vòng 12 tháng.

Thứ tư, tổ chức đào tạo nâng cao năng lực làm chủ công nghệ cho đội ngũ kỹ sư điều độ và kỹ thuật viên bảo dưỡng trạm. Các công ty lưới điện cao thế cần phối hợp mở các khóa huấn luyện chuyên sâu về phần mềm PCM600, RTUtil560 và phân tích gói tin mạng trạm cho 100% kỹ sư vận hành trong thời gian 6 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang tính ứng dụng thực tiễn cao, là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư điều độ và chuyên viên SCADA/EMS tại các Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia và miền: Tài liệu cung cấp giải pháp toàn diện về tích hợp hệ thống, xử lý xung đột giao thức và phương thức phân phối dữ liệu thời gian thực phục vụ thị trường điện.
2. Cán bộ kỹ thuật và quản lý vận hành tại các Công ty Điện lực, Công ty Truyền tải điện: Cung cấp quy trình chi tiết để cải tạo trạm biến áp hiện hữu sang mô hình trạm số hóa, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư cáp và bảo vệ an toàn mạch nhị thứ.
3. Đơn vị tư vấn thiết kế điện và các nhà thầu cơ điện công trình: Sử dụng làm tài liệu tham chiếu chuẩn mực khi thiết kế bản vẽ nhị thứ, lập bảng danh mục tín hiệu I/O và cấu hình trạm biến áp không người trực từ cấp điện áp 110kV đến 500kV.
4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Hệ thống điện, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Cung cấp nguồn học liệu chuyên sâu về ứng dụng tiêu chuẩn IEC 61850, Modbus và các thuật toán điều khiển giám sát trạm trong lộ trình xây dựng lưới điện thông minh Smart Grid.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nên dùng thiết bị RTU chuyên dụng thay vì máy tính công nghiệp làm Gateway kết nối IED?

RTU chuyên dụng như RTU560 được thiết kế theo tiêu chuẩn công nghiệp đặc thù cho môi trường điện lực, không sử dụng quạt tản nhiệt cơ học và không có ổ đĩa quay, giúp loại bỏ nguy cơ kẹt cơ hoặc hư hỏng do nhiệt. Thiết bị chạy hệ điều hành nhúng an toàn, triệt tiêu nguy cơ lây nhiễm virus và đảm bảo vận hành liên tục 24/7 với độ sẵn sàng trên 99,9%.

Giải pháp đấu nối mạng qua giao thức IEC 61850 an toàn hơn phương thức đấu cứng truyền thống như thế nào?

Đấu nối cứng đòi hỏi đấu trực tiếp dây dẫn vào mạch nhị thứ của biến dòng điện và biến điện áp, rất dễ gây nguy cơ hở mạch dòng hoặc ngắn mạch áp dẫn đến nổ thiết bị. Ngược lại, đấu nối mềm qua chuẩn IEC 61850 chỉ sử dụng cáp mạng truyền thông cáp quang hoặc cáp đôi xoắn, loại bỏ hoàn toàn việc can thiệp vật lý vào mạch lực và mạch bảo vệ.

Thiết bị đo đếm Multimeter kết nối qua Modbus mang lại lợi thế gì so với bộ cảm biến Transducer?

Bộ cảm biến Transducer thông thường chỉ biến đổi tín hiệu tương tự sang dòng 4-20 miliampe và giới hạn truyền tối đa 4 thông số với sai số 1,5%. Trong khi đó, Multimeter kết nối Modbus số hóa trực tiếp từ nguồn đo, cung cấp đồng thời hơn 15 thông số chất lượng điện năng với sai số dưới 0,2% mà không cần bổ sung bất kỳ phần cứng trung gian nào.

Làm thế nào để giải quyết bài toán chia sẻ dữ liệu giữa Trung tâm Điều độ A2 và Công ty Điện lực địa phương?

RTU560 được cấu hình phân tách cơ sở dữ liệu thành nhiều cổng độc lập. Cổng chính gửi gói tin chuẩn IEC 60870-5-104 về máy chủ SCADA của Trung tâm Điều độ A2 để điều hành toàn lưới. Đồng thời, cổng phụ xuất dữ liệu qua mạng nội bộ để hiển thị sơ đồ nhất thứ trên máy tính giám sát tại chỗ của Công ty Điện lực, tối ưu chi phí đầu tư thiết bị.

Việc cấu hình tích hợp rơ le bảo vệ và thiết bị đo của nhiều hãng sản xuất khác nhau có phức tạp không?

Nhờ tiêu chuẩn hóa quốc tế của IEC 61850 và Modbus, các thiết bị của Toshiba, Schneider hay ABB đều tuân theo cấu trúc tệp mô tả XML thống nhất. Khi sử dụng các công cụ phần mềm như PCM600 và CCT, kỹ sư có thể dễ dàng liên kết các nút logic của thiết bị ngoại vi vào RTU một cách đồng bộ mà không bị xung đột phần mềm.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công giải pháp đấu nối mềm kết nối thiết bị RTU560 với các thiết bị điện tử thông minh IED qua các giao thức Modbus, IEC 60870-5-103 và IEC 61850.
• Kết quả thực nghiệm tại trạm biến áp 110kV Tân Mai chứng minh giải pháp giúp giảm hơn 70% khối lượng cáp tín hiệu, nâng độ chính xác đo lường lên mức sai số dưới 0,2% và mở rộng số lượng thông số thu thập lên gấp 3 lần.
• Thiết lập thành công mô hình cơ sở dữ liệu dùng chung, giải quyết triệt để bài toán phân quyền giám sát giữa cấp điều độ miền và đơn vị quản lý vận hành địa phương trên cùng một hạ tầng phần cứng.
• Khẳng định tính vượt trội về độ ổn định và an toàn thông tin của thiết bị RTU công nghiệp chuyên dụng so với giải pháp sử dụng máy tính làm Gateway trung gian.
• Đóng góp luận cứ khoa học và quy trình thực hành hoàn chỉnh, tạo tiền đề quan trọng để Tổng công ty Điện lực miền Nam triển khai diện rộng cho 137 trạm biến áp trong lộ trình phát triển lưới điện thông minh Smart Grid giai đoạn 2013-2020.

Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện cần sớm tổ chức rà soát hiện trạng thiết bị tại các trạm biến áp 110kV và 220kV, chủ động ứng dụng quy trình cấu hình truyền thông số hóa để tối ưu hóa chi phí vận hành và nâng cao tính tin cậy của toàn hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -----o0o----- QUANG HIẾU TRUNG KHAI THÁC HIỆU QUẢ TÍNH NĂNG SẲN CÓ CỦA RTU QUA VIỆC KẾT NỐI VỚI CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH TẠI TRẠM Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN Mã số: 605250 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 06 năm 2013 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học :. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :.

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -------------------------------- ------------------------------------ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên: Quang Hiếu Trung MSHV: 11184091 Ngày, tháng, năm sinh: 20 – 04 – 1977 Nơi sinh: Tp.HCM Chuyên ngành : Thiết Bị, Mạng và Nhà Máy Điện Mã số: 605250 I. TÊN ĐỀ TÀI: KHAI THÁC HIỆU QUẢ TÍNH NĂNG SẲN CÓ CỦA RTU QUA VIỆC KẾT NỐI VỚI CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH TẠI TRẠM. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: II.1 Đề xuất giải pháp kết nối giữa thiết bị RTU và IED theo các chuẩn giao thức thông dụng.2 Nghiên cứu các giao thức thông dụng.3 Nghiên cứu các thiết bị RTU và IED có hỗ trợ các giao thức thông dụng.4 Thực hiện việc kết nối giữa RTU và IEDs cho 1 trạm biến áp thực tế. So sánh và đánh giá kết quả đạt được.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21 – 01 – 2013. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21 – 06 – 2013. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. NGUYỄN HOÀNG VIỆT.

HCM, ngày …… tháng ……. năm 20… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO ( Họ tên và chữ ký) ( Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ( Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Hoàng Việt, người đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Với những kiến thức có được ngày hôm nay, đó là kết quả của một quá trình học tập và rèn luyện lâu dài; nhưng trên tất cả vẫn là những công ơn của tất cả quý Thầy Cô Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã đem đến hành trang kiến thức cho tôi vào đời. Đặc biệt, xin chân thành biết ơn tới các Thầy Cô của Bộ môn Hệ Thống Điện đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Ban lãnh đạo Trung tâm Điều độ HTĐ miền Nam, cùng các bạn bè, đồng nghiệp ở Xí nghiệp Điện Cao Thế Đồng Nai, Công ty Điện Cao Thế miền Nam và gia đình đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013 Người thực hiện Quang Hiếu Trung TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn đề xuất giải pháp dùng các chuẩn giao thức thông dụng, trong việc kết nối thiết bị RTU và các thiết bị điện tử IED tại trạm điện như: thiết bị đo đếm Multimeter, Relay số, RTU mini,… Giải pháp sử dụng các chuẩn giao thức thông dụng như: Modbus TCP, IEC 61850, 60870 – 103,… mà hiện nay, bắt đầu được tích hợp vào thiết bị IED tại các trạm điện, qua đó, tăng khả năng thu thập, giám sát và điều khiển dữ liệu của thiết bị RTU. Ưu điểm của giải pháp này là việc đấu dây đơn giản, ít chi phí phát sinh, không gây nguy hiểm cho mạch nhị thứ trạm; trong khi đó, số lượng tín hiệu cần thu thập tại trạm thì lấy được rất nhiều thông số, độ chính xác cao, đáp ứng các yêu cầu khác nhau của các cấp điều hành trạm, nâng cao tính hiệu quả trong việc khai thác tính năng sẵn có của RTU. Để minh họa thực tiễn, người thực hiện luận văn triển khai giải pháp này cho 01 trạm biến áp thực tế có trang bị thiết bị IED, thuộc lưới điện miền Nam. Kết quả thu được là khá khả quan so với phương thức đấu nối truyền thống, giải pháp này có thể áp dụng phổ biến, khi mà xu hướng của nghành Điện hiện nay là trang bị các thiết bị điện tử thông minh IED cho các trạm.

THESIS SUMMARY This thesis proposes using common protocols to connect RTU devices and IED electronic devices at power stations such as: measuring and counting Multimeter, digital Relay, mini RTU,. This solution uses common protocols such as: Modbus TCP, IEC 61850, 60870-103,… which are now beginning to be integrated into the IED device at power stations, therefore, the acquisition, supervisory and data control ability of RTU device is increased. This solution has advantages in simplifying the wiring, reducing in the incurred costs, preventing secondary circuits in power stations from dangerous risk; while, the number of collected data at stations becomes numerous, more acurate and to satisfy requirements of different station operating levels, to improve efficiency in the exploitation of RTU features. Practically, the author of the thesis deployed this solution for a substation which is equipped with IEDs, belonging in the Southern power grid.

The results obtained are quite satisfactory in comparison with traditional connection methods, so this solution can commonly applied, when the Power industry has the current trend to equip the intelligent electronic devices IEDs at power stations. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Nguyễn Hoàng Việt. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào.

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.Hồ Chí Minh , tháng 06 năm 2013 Người thực hiện Quang Hiếu Trung i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT HMI Human Machine Interface Giao diện người - máy RTU Remote Terminal Unit Thiêt bị đo xa đầu cuối DA Data Acquisition Thu thập dữ liệu RTDB Real Time Data Base Xử lý dữ liệu thời gian thực Hệ thống giám sát điều khiển và SCADA Supervisory Control And Data Acquisition thu thập dữ liệu OSI Open Systems Interconnection Kết nối hệ thống mở ISO The International Standards Organization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối xử lý số liệu DCE Data Communication Equipment Thiết bị truyền thông dữ liệu DA Data Link Kết nối dữ liệu South Regional Load Dispatching Centre Trung tâm Điều độ Hệ thống A2 (SRLDC) điện miền Nam National Load Dispatching Centre Trung tâm Điều độ Hệ thống A0 (NLDC) điện Quốc gia PC Đồng Power Company Đồng Nai Công ty Điện lực Đồng Nai Nai 1nternational Electrotechnical IEC Ủy ban kỹ thuật điện Quốc tế Commission Universal Asynchronous Receiver UART Truyền và nhận dữ liệu nối tiếp Transmitter ASDU Application Service Data Unit Khối lưu trữ dữ liệu RS232 Recommended Standard 232 Chuẩn giao tiếp 232 RS485 Recommended Standard 485 Chuẩn giao tiếp 485 Modbus A serial communications protocol Chuẩn giao tiếp Modbus 1nternational Telecommunication Union - Tiêu chuẩn viễn thông – Tổ chức ITU-T Telecommunication Viễn thông Quốc tế. TBA Trạm biến áp COT Cause of transmission Nguyên nhân truyền TSS Tele Signal Single Tín hiệu đơn ii TSD Tele Signal Double Tín hiệu đôi RCD Remote Command Double Tín hiệu điều khiển xa đôi TM Tele Measurement Tín hiệu đo lường File mô tả đặc tính SSD file System Specification Description file của hệ thống File mô tả đặc tính ICD file IED Capability Description file có trong thiết bị IED File file mô tả cấu hình SCD file Station Configuration Description file của trạm File cấu hình cho một thiết bị CID file Configured IED Description IED MỤC LỤC CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG. Lý do chọn đề tài. Mục tiêu của đề tài.

Tính cấp thiết của đề tài. Phương pháp nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Giới hạn của đề tài.

Nội dung của luận văn. 4 CHƢƠNG 2: THỰC TRẠNG VỀ HỆ THỐNG SCADA / EMS DO TRUNG TÂM ĐIỀU ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM QUẢN LÝ. Sơ lược về trung tâm điều độ hệ thống điện miền nam (A2). Hiện trạng về hệ thống scada/ems lắp đặt tại A2.

Cấu hình phần cứng. Cấu hình phần mềm. Hiện trạng hệ thống scada/rtu lắp đặt tại các trạm. Các loại RTU đang hoạt động trong hệ thống Scada/RTU do A2 quản lý.

Khái niệm về thiết bị RTU (Remote Terminal Unit). Loại RTU do hãng Microsol (Pháp) sản xuất. Loại RTU 560C do hãng ABB (Thụy Sỹ) chế tạo. Cách thức thu thập và xử lý dữ liệu theo phương thức truyền thống của hệ thống SCADA/RTU tại các trạm.

Đánh giá hiện trạng của hệ thống scada do a2 đang quản lý. Đánh giá hiện trạng hệ thống Scada tại Trung tâm A2. Nhược điểm. Hướng phát triển trong thời gian tới.

Đánh giá hiện trạng hệ thống RTU do A2 quản lý tại các trạm. Nhược điểm. Hướng phát triển trong thời gian tới. 24 CHƢƠNG 3: TRÌNH BÀY GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT.

Đề xuất giải pháp. Nội dung của giải pháp. Các bước thực hiện của giải pháp. So sánh giữa phương pháp đấu nối truyền thống và phương pháp đấu nối của giải pháp đề xuất.

Các chuẩn giao thức thông dụng hiện nay. Tổng quan về giao thức và giao diện. Nguyên tắc kết nối. Các chuẩn giao thức thông dụng.

Cấu trúc giao thức OSI:. Cấu trúc giao thức TCP/IP:. Các kiểu đấu dây. Giao thức Modbus.

Giao thức IEC 60870-5-101. Giao thức IEC 60870-5-104. Giao thức IEC 61850. Các phần mềm (tool) phục vụ cho việc cấu hình rtu.

Phần mềm RTUtil560. RTU560 Web - Server. Phần mềm giao diện người – máy (HMI). Chức năng giám sát:.

Giao diện hiển thị thông tin giám sát:. Các thông tin giám sát:. Các module ứng dụng khác:. Giới thiệu phần mềm PCM600 được sử dụng trong hệ thống.

Cách tạo một dự án trong PCM600. Giới thiệu phần mềm CCT ứng dụng trong hệ thống. Cách tạo một dự án trong phần mềm CCT. 69 CHƢƠNG 4: QUÁ TRÌNH TRIỂN KHAI THỰC HIỆN CỤ THỂ CHO GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT.

Ví dụ minh họa cho giải pháp. Hiện trạng hệ thống Scada của trạm Tân Mai 110 kV.