Luận văn thạc sĩ về ứng dụng công nghệ tự động hóa tại trạm biến áp TP HCM

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật ứng dụng công nghệ tự động hóa vào trạm biến áp tại tổng công ty điện lực tp hcm, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Trần Hồ Đăng Khoa
• Người hướng dẫn: TS. Võ Hoàng Duy
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Ứng Dụng Công Nghệ Tự Động Hóa Trong Trạm Biến Áp Tại TP HCM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. HỒ CHÍ MINH

Tóm tắt

I. Giới thiệu về công nghệ tự động hóa trong trạm biến áp

Công nghệ tự động hóa trong trạm biến áp là một xu hướng hiện đại, sử dụng các thiết bị điện tử thông minh (IED), Relay, và các thiết bị đo lường để thu thập và giám sát thông số vận hành theo thời gian thực. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình vận hành mà còn tạo nền tảng cho mô hình vận hành không người trực. Theo nghiên cứu, Tổng công ty Điện lực TP.HCM đã triển khai nhiều trạm biến áp tự động hóa, áp dụng tiêu chuẩn IEC61850 để kết nối các thiết bị IED. Tuy nhiên, một thách thức lớn là việc kết nối các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau, điều này gây khó khăn trong bảo trì và thay thế thiết bị. Mục tiêu của nghiên cứu này là tìm hiểu và đề xuất giải pháp kết nối giữa các thiết bị RTU và Relay từ các nhà sản xuất khác nhau, nhằm nâng cao tính tương thích và hiệu quả trong vận hành.

II. Khảo sát hiện trạng các trạm biến áp

Khảo sát hiện trạng các trạm biến áp do Tổng công ty Điện lực TP.HCM quản lý cho thấy rằng nhiều thiết bị điện tử thông minh như Multimeter, Relay bảo vệ và Tariff Meter đang được sử dụng. Các thiết bị này hỗ trợ kết nối qua giao thức Modbus RTU hoặc Modbus TCP/IP, nhưng vẫn chưa được khai thác tối đa. Việc ghi nhận thông số hiện tại chủ yếu được thực hiện thủ công, gây tốn thời gian và dễ xảy ra sai sót. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ tự động hóa sẽ giúp giảm thiểu công việc thủ công, đồng thời nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc giám sát và điều khiển trạm biến áp. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao độ tin cậy trong cung cấp điện.

III. Tìm hiểu về giao thức IEC 61850

Giao thức IEC 61850 là tiêu chuẩn quốc tế cho việc tự động hóa trạm biến áp, cho phép các thiết bị khác nhau từ nhiều nhà sản xuất giao tiếp với nhau một cách hiệu quả. Tiêu chuẩn này đảm bảo rằng tất cả các thiết bị IED có thể 'nói' cùng một ngôn ngữ, bất kể nguồn gốc chế tạo. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng IEC 61850 không chỉ giúp cải thiện khả năng tương tác giữa các thiết bị mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và nâng cao tính linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống. Thách thức lớn nhất trong việc triển khai giao thức này là đảm bảo tính tương thích giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau, điều này cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống tự động hóa.

IV. Mô hình hóa trạm biến áp theo quy định của EVN

Mô hình hóa trạm biến áp theo quy định của EVN là một phần quan trọng trong việc triển khai công nghệ tự động hóa. Hệ thống tích hợp điều khiển và bảo vệ trạm biến áp cần phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các tiêu chuẩn và quy định của EVN không chỉ giúp nâng cao độ tin cậy trong vận hành mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc bảo trì và nâng cấp hệ thống. Các yêu cầu chi tiết về cấu hình và thiết bị lắp đặt cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động hiệu quả và an toàn.

V. Kết nối với hệ thống SCADA trung tâm

Kết nối với hệ thống SCADA trung tâm là một bước quan trọng trong việc triển khai công nghệ tự động hóa tại các trạm biến áp. Hệ thống SCADA cho phép giám sát và điều khiển từ xa, cung cấp thông tin thời gian thực về tình trạng hoạt động của trạm biến áp. Nghiên cứu cho thấy rằng việc thiết lập cấu hình trên hệ thống SCADA cần phải được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo rằng tất cả các thiết bị đều có thể giao tiếp hiệu quả. Điều này không chỉ giúp nâng cao khả năng giám sát mà còn cải thiện khả năng phản ứng nhanh chóng trong trường hợp xảy ra sự cố.

VI. Kết quả thực hiện và kiến nghị

Kết quả thực hiện nghiên cứu cho thấy rằng việc kết nối các thiết bị trong trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEC 61850 đã mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu chi phí bảo trì. Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả tối ưu, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà sản xuất thiết bị và các đơn vị vận hành. Nghiên cứu kiến nghị rằng cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp kết nối giữa các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau, nhằm nâng cao tính tương thích và hiệu quả trong vận hành trạm biến áp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Tự động hóa trạm biến áp là sử dụng công nghệ kết nối tất cả các thiết bị điện tử thông minh (IED), Relay, Bay Control Unit (BCU), Multimeter, Tariff Meter nhằm thu thập, giám sát tất cả các thông số vận hành theo thời gian thực. Giúp người vận hành có thể đưa ra các kịch bản vận hành trạm biến áp tối ưu và nền tảng cho mô hình vận hành trạm biến áp không người trực. Qua khảo sát các trạm biến áp do Tổng công ty Điện lực Tp.HCM quản lý vận hành hiện đang sử dụng rất nhiều thiết bị điện tử thông minh như: a. Multimeter để giám sát các thông số: P, Q, I, Cos, U.

Các thiết bị này hỗ trợ kết nối theo giao thức Modbus RTU hoặc Modbus TCP/IP tuy nhiên vẫn chưa được khai thác. Relay bảo vệ: Sử dụng chức năng bảo vệ 50/51,67, 21, 87, 79. khi làm việc xuất tín hiệu cảnh báo đến các ô đèn cảnh báo thông qua output. Các Relay này hỗ trợ các giao thức kết nối IEC 60870-5-103 hoặc IEC 61850.

Tariff Meter được sử dụng độc lập để ghi nhận sản lượng điện năng sử dụng. Hỗ trợ các giao thức Modbus RTU hoặc IEC 60256-21. Hiện nay các nhân viên vận hành trạm phải ghi nhận các thông số theo phương pháp thủ công định kỳ 1h/lần. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.

Hiện nay việc ứng dụng công nghệ điều khiển tích hợp trạm biến áp (TBA) truyền tải và phân phối là xu hướng chung của thế giới nhằm giảm chi phí đầu tư, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) đã ban hành quy định kỹ thuật của hệ thống điều khiển tích hợp TBA (ICS03-04), tuy nhiên trong quá trình đầu tư thi công một trạm biến áp hoàn chỉnh các nhà thầu thường chào một hệ thống tích hợp do họ sản xuất từ Software đến các thiết bị IED, Relay, BCU do một hãng sản xuất nên giá thành cao và khó khăn trong việc bảo trì, thay thế thiết bị. Vấn đề khó khăn nhất là khả năng tương thích về tiêu chuẩn kết nối giữa các thiết bị của các hãng khác 2 nhau. Để nâng cao tính cạnh tranh, thuận lợi cho quá trình mở rộng phát triển hệ thống, giao thức IEC 61850 được EVN lựa chọn là giao thức chính trong việc tích hợp hệ thống tự động hóa TBA.

Mục tiêu của đề tài Việc tìm hiểu, nghiên cứu tiêu chuẩn IEC61850 nhằm áp dụng trong hệ thống tích hợp điều khiển và bảo vệ trạm biến áp. Tiêu chuẩn này bảo đảm sự tương tác cần thiết trong các trạm điện. Điều mới thật sự của đề tài nghiên cứu này là tất cả các thiết bị điện tử thông minh (IED) được kết nối với nhau sẽ “nói” cùng một ngôn ngữ, bất kể nguồn gốc chế tạo của các thiết bị IED và trao đổi thông tin với nhau mà không có bất cứ vấn đề gì. Nội dung nghiên cứu của đề tài.

Tìm nghiên cứu các thiết bị hiện đang vận hành tại các trạm biến áp 110kV, 220kV do Tổng công ty Điện lực Tp. - Multimeter PM7xx, Vamp do Schneider Electric sản xuất. - Relay bảo vệ: do các hãng ABB, Alstom/Schneider, SEL, Siemens. - Tariff Meter: MK6, A1700.

Tìm hiểu giao thức kết nối với các thiết bị trên: - Giao thức IEC 61850. - Giao thức IEC 60870-5-104. - Giải pháp truyền thông sử dụng cho các giao thức trên. Thực hiện kết nối các thiết bị RTU, Relay, Multimeter, Tariff Meter tại Phòng thí nghiệm.

Kết nối với hệ thống SCADA của Tổng công ty Điện lực Tp. Phương pháp nghiên cứu 5.1 Phương pháp luận - Thu thập, tổng hợp các tài liệu báo cáo khoa học, các sách báo tạp chí chuyên ngành, các luận án luận văn và các tài liệu hướng dẫn sử dụng 3 (manual handbook) trong và ngoài nước có liên quan đến IEC61850 về việc điều khiển, bảo vệ cho các trạm biến áp. - Phân tích, đánh giá, tổng hợp và xử lý số liệu từ các tài liệu khoa học, báo cáo kinh tế kỹ thuật các trạm biến áp do Tổng công ty Điện lực Tp.2 Phương pháp nghiên cứu - Tham khảo Hồ sơ hoàn công về hệ thống tích hợp điều khiển và bảo vệ cho trạm biến áp co TCT Điện lực Tp. - Khảo sát các trạm biến áp thực tế đã thực hiện kết nối giữa RTU và IED theo IEC61850.

- Tiến hành thực hiện kết nối RTU, Relay, Multimeter. tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Tp. - Cấu hình kết nối hệ thống thử nghiệm vào hệ thống SCADA trung của Tổng công ty Điện lực TP.HCM theo giao thức IEC 104 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu.

Dữ liệu từ rơle của trạm biến áp có nhiều công dụng và cung cấp giá trị đáng kể để phục vụ cho việc vận hành, bảo trì, lên kế hoạch. Công nghệ mới cho phép thu thập số lượng và chủng loại dữ liệu nhiều hơn.Các kỹ sư SCADA/DMS có được nguồn dữ liệu đầu vào chính xác theo thời gian thực để tính toán các bài toán của lưới điện phân phối như: tối ưu hóa công suất, cô lập điểm sự cố và khôi phục cung cấp dịch vụ, giám sát và điều khiển chất lượng điện năng… Các kỹ sư bảo vệ hệ thống điện có khả năng giao tiếp và trích xuất thông tin chính xác từ các thiết bị dùng kỹ thuật vi xử lý, thường được gọi là các IEDs. Trong thập kỷ qua, những IEDs này thực hiện việc đo lường và phân tích thiết bị của hệ thống điện dựa trên các thuật toán của nhà sản xuất cụ thể. Việc tích hợp và tự động hóa trạm biến áp là các công cụ quan trọng nhất sử dụng hiện nay để tích hợp các rơle và các IEDs khác nhau trong môi trường trạm biến áp, hình thành nên một hệ thống điều khiển và đo lường kinh tế để hỗ trợ cho các trạm biến áp về các khía cạnh: giám sát, phân tích, và tự động hóa.

Các sơ đồ thông tin truyền thông và các giao thức được thiết kế và phát triển thực thi cơ bản chiến lược này. 4 Việc triển khai hệ thống tự động tích hợp tại TBA giúp hoàn thành lộ trình đưa 100% TBA do Tổng công ty quản lý thành TBA không người trực và điều khiển từ hệ thống SCADA trung tâm nhanh chóng hoàn thành. Việc tích hợp này cũng cho phép sử dụng các thiết bị RTU, BCU, Relay, Multimeter của nhiều hãng khác giúp phá bỏ thế độc quyền, giảm chi phí đầu tư. Và quan trong nhất là việc nghiên cứu các hệ thống tích hợp giúp cho đội ngũ kỹ sư của Tổng công ty hoàn toàn làm chủ công nghệ không phải lệ thuộc vào các nhà thầu nước ngoài như trước kia.

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. Vấn đề truyền thông giữa các IEDs và giữa các IEDs với trung tâm điều khiển sẽ rất quan trọng khi thực hiện các chức năng tự động hoá của trạm. Rất nhiều các giao thức truyền thông được sử dụng trong việc giám sát điều khiển xa TBA, các giao thức phổ biến như Modbus, DNP3, IEC60 IEC60870. Nhưng các giao thức trên lại không có sự tương đồng (Interoperability) hoàn toàn khi được cung cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau, đồng thời hạn chế về tốc độ xử lý nên việc xây dựng các ứng dụng tự động hoá trạm trên nền tảng các giao thức truyền thống khá khó khăn.

Vào năm 1995 ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) đã chấp thuận cần có một tiêu chuẩn tổng quát hơn cho mạng thông tin và những hệ thống trong trạm. Việc thiết lập tiêu chuẩn mới này là do các nhóm TC57 WG10, WG11 và WG12 phát triển thành. Ba nhóm này được thành lập với các chuyên gia từ nhiều nước. Với kinh nghiệm của IEC60870 của những nghi thức và công nghệ truyền thông đa chức năng 2.0), kết quả của một dự án tương tự tại Mỹ.

Mục tiêu của sự nỗ lực này là để tạo ra một tiêu chuẩn cho những thiết bị điện tử thông minh (IEDs) từ những nhà sản xuất khác nhau có thể hoạt động cùng với nhau trong một hệ thống tự động hóa trạm. Không phụ thuộc vào kích thước và nhu cầu thao tác của trạm. Tiêu chuẩn bao gồm cả điện áp cao và điện áp trung bình truyền dẫn và phân phối trong trạm. Nó đủ tính linh hoạt trước sự thay đổi của hệ thống trong tương lai.

Ví dụ như thay đổi trong công nghệ truyền thông hoặc những chức năng tự động mới. Cơ quan IEC và Electric Power Research Institute (UCA 2.0) cùng nhau đạt được một tiêu chuẩn toàn cầu và đã được chấp nhận chính là IEC61850 “mạng thông tin và hệ thống trong trạm”. IEC61850 là tiêu chuẩn truyền thông quốc tế mới cho các ứng 5 dụng tự động hoá trạm. Tiêu chuẩn cho phép tích hợp tất cả các chức năng bảo vệ, điều khiển, đo lường và giám sát truyền thống của TBA, đồng thời nó có khả năng cung cấp các ứng dụng bảo vệ và điều khiển phân tán, chức năng liên động và giám sát phức tạp.

Ngày nay, tiêu chuẩn IEC61850 đang trở thành một chủ đề nóng và mang tính cấp thiết để các nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới ra sức tìm tòi, nghiên cứu để đáp ứng được tất cả các yêu cầu đặt ra. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Hiện nay, các tập đoàn công nghiệp sản xuất các thiết bị điện tử thông minh (IED) hàng đầu trên thế giới như : ABB, Toshiba, Siemens, AREVA, SEL… đều có nhưng giao thức truyền thông riêng của họ. Đồng thời họ cũng đã cho ra đời các hệ thống tích hợp cho hệ thống tự động hóa trạm sử dụng các thiết bị IED của họ theo IEC61850. Tuy nhiên các hệ thống này chỉ sử dụng các thiết bị của cùng một nhà sản xuất.

Các công trình tiêu biểu trên thế giới ứng dụng tiêu chuẩn IEC61850 như: - Hệ thống tự động hóa trạm biến áp GSC1000 của công ty Toshiba. - Hệ thống tự động hoá trạm biến áp PACiS của công ty GE. - Hệ thống tự động hoá trạm biến áp SICAM PAS của công ty Siemens. Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện nay theo yêu cầu của Tổng công ty Điện lực Tp.HCM tất cả các trạm biến áp vận hành là không người trực.

Để thực hiện được mục tiêu đó thì hệ thống tự động hóa tại trạm phải tin cậy và thu thu thập đủ thông tin giúp người vận hành có thể phân tích sự cố và đưa ra quyết định một cách nhanh nhất. Để đáp ứng yêu cầu này thì việc thu thập dữ liệu thông qua giao thức IEC 61850 là bắt buộc.