TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM BIẾN ÁP KHÔNG NGƯỜI TRỰC ÁP DỤNG CHO TRẠM 110KV

Tóm tắt: Trong những năm gần đây su hướng tự động hóa các trạm biến áp không người trực được triển khai, nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giảm bớt được chi phí trong vận hành , trong đó giảm chi phí nhân công nhờ công nghệ không người trực. Để triển khai rộng rãi trên phạm vi toàn hệ thống nghành điện triển khai cho các trạm 110kV trước , vì vậy trong khuôn khổ bài báo tác giả đi tìm hiểu hệ thống điều khiển trạm 110kV, để có được tổng quan về mô hình trạm không người trực, làm cơ sở ngiên cứu tiếp theo của các trạm không người trực trong thực tế trong nghành điện hiện nay.

Trạm 110kV được trang bị hệ thống điều khiển dựa trên các thiết bị chuyên dụng (máy tính công nghiệp, gateway...) có cấu hình dự phòng nóng (Hot-StandBy). Hệ thống máy tính sẽ thực hiện nhiệm vụ điều khiển và giám sát hoạt động của các thiết bị trong trạm đồng thời thực hiện chức năng của thiết bị đầu cuối để giao tiếp với Trung tâm điều khiển địa phương và Trung tâm điều độ Hệ thống điện miền.

Hệ thống điều khiển trạm được thiết kế dựa trên các chuẩn quốc tế đảm bảo tính mở, thuận lợi cho việc thay thế, mở rộng, nâng cấp. Hệ thống điều khiển trạm được thiết kế đảm bảo độ tin cậy, tính độc lập. Khi một thiết bị điều khiển đơn lẻ bị sự cố, sẽ không làm ảnh hưởng đến các phần tử khác. Hệ thống điều khiển được thiết kế để có thể giao tiếp với hệ thống rơ le bảo vệ kỹ thuật số, có thể vận hành hoàn toàn không nguời trực nhưng vẫn có khả năng sử dụng, thao tác trong trường hợp có nhân viên vận hành tại trạm.

Hệ thống điều khiển của trạm được trang bị bao gồm:

01 bộ điều khiển (Server) gồm 2 thiết bị được thiết kế phần cứng dựa trên kiến trúc máy tính hoạt động ở chế độ dự phòng nóng (Hot-StandBy), tại một thời điểm chỉ có một thiết bị hoạt động giao tiếp với hệ thống, thiết bị kia hoạt động ở chế độ dự phòng nóng, trong trường hợp thiết bị đang vận hành (HOT) gặp sự cố về phần cứng hoặc phần mềm thiết bị dự phòng (Stand By) sẽ lập tức được kích hoạt để trở thành thiết bị chạy chính (HOT) hoạt động giao tiếp với hệ thống và xử lý dữ liệu. Phần dữ liệu hệ thống luôn được cập nhật đồng thời và liên tục tới cả hai thiết bị, phương án này đảm bảo tính liên tục của hệ thống, giảm rủi ro hỏng hóc do cả hai thiết bị cùng chạy đồng thời giao tiếp với hệ thống. Nhằm đảm bảo tính thống nhất và đồng bộ, nâng cao độ ổn định của hệ thống, phần mềm SCADA được cài đặt vào máy chủ ưu tiên tích hợp hệ thống của cùng một hãng sản xuất với hệ thống rơle bảo vệ và điều khiển.
01 bộ máy tính lưu trữ dữ liệu quá khứ History Server (HIS) làm nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu vận hành của hệ thống đặc biệt là các thông số đo lường, các tác vụ như: tìm kiếm dữ liệu quá khứ, chọn thông số, in và tạo báo cáo theo mẫu của nghành.
01 mạng Ring-LAN ( hoặc mạng LAN kép – Double LAN) dùng kết nối cáp quang tốc độ 100Mbit/s, mạng LAN này liên kết tất cả các thiết bị vận hành (IED) trong hệ thống: Rơ le điều khiển bảo vệ, công tơ, thiết bị thu thập tín hiệu trong trạm và hệ thống máy tính. Tất cả các thiết bị kết nối tới mạng LAN phải được trang bị 2 cổng kết nối tới mạng LAN để đảm bảo bất kì 1 trong các Switch nào trong mạng LAN bị hỏng, kết nối vẫn được liên tục giữa các thành phần trong hệ thống.
01 bộ IP Recorder cho việc lưu trữ dữ liệu giám sát trạm bằng camera bao gồm cả bộ điều khiển PZT tại trạm (cho vận hành có người trực tạm thời )
01 máy in laser
Trọn bộ phần mềm, thiết bị đồng bộ thời gian GPS LAN time Server
Thiết bị Router, FireWall để kết nối với mạng WAN của điện lực địa phương.
Bộ thu thập giám sát I/O chung cho toàn trạm (hệ thống kiểm soát ra vào, camera, báo cháy, báo khói, điện chiếu sang, vận hành máy bơm cứu hỏa từ xa,…
Thiết bị nguồn 220/380VAC, 220VDC, thiết bị đổi nguồn 220VDC/220VAC, các thiết bị nguồn này phải hoạt động Online, liên tục đảm bảo cấp điện cho trạm và các thiết bị cho trạm trong mọi điều kiện và đồng thời phải có thiết bị giám sát, điều khiển từ xa và kết nối với hệ thống máy tính (RTU, BCU...).
Hệ thống đảm bảo có tối thiểu 02 cổng Gateway được tích hợp sẵn để giao tiếp, truyền tín hiệu SCADA tới TTĐK địa phương (theo giao thức IEC60870-5-104, IEC61850) và TTĐĐ HTĐ Miền (theo giao thức IEC60870-5-101) cho phương án vận hành, kết nối trước mắt. Chuyển đổi tự động giữa hai cổng truyền thông của hai máy tính chủ trong chế độ Hot-Standby thông qua bộ chuyển đổi cổng thông tin (Fallback Switch)
Mỗi ngăn đường dây, ngăn máy cắt cầu 110kV; máy biến áp 110kV; ngăn lộ tổng có thể là 35kV hoặc 22kV; ngăn lộ đi 35kV hoặc 22kV ngoài chức năng bảo vệ cần được trang bị bộ điều khiển mức ngăn (BCU). Các bộ điều khiển mức ngăn được chế tạo tích hợp trong các rơ le bảo vệ. Các bộ BCU này được thiết kế ở chế độ dự phòng 1+1 và giao tiếp với hệ thống máy tính xử lý bằng cáp quang (fiber optic) qua giao thức IEC61850. Kết nối của mỗi BCU tới hệ thống mạng cũng cần được thiết kế ở chế độ dự phòng đường truyền, đảm bảo một sự cố tức thời sẽ không làm gián đoạn quá trình giám sát và vận hành hệ thống.

Để thực hiện các chức năng điều khiển và giám sát, trọn bộ phần mềm cần thiết sẽ được trang bị. Phần mềm cho phép khai báo mở rộng cấu hình hệ thống điều khiển khi trạm mở rộng cũng thuộc danh mục của phần mềm được cung cấp. Các phần mềm được viết trên ngôn ngữ lập trình bậc cao. Hệ điều hành được dùng cho hệ thống điều khiển máy tính của trạm là Window NT, Window Server 2000, Window XP hoặc phiên bản mới nhất của Windows Server

Thủ tục truyền tin giữa trạm và Trung tâm điều độ: IEC 60870-5-101, IEC 60870-5-104.
Thủ tục truyền tin trong nội bộ trạm bao gồm:
Thủ tục truyền tin cho mạng LAN: IEC 61850.
Thủ tục truyền tin cho kết nối giữa các IED trong trạm: IEC 61850
Các IED được đấu nối trực tiếp với mạng LAN theo thủ tục IEC61850.

Việc áp dụng thủ tục IEC 61850, hệ thống điều khiển máy tính của trạm thực sự là hệ thống mở, thuận tiện cho việc mở rộng trạm và kết nối với thiết bị điều khiển bảo vệ của các nhà sản xuất khác nhau.

1.1.1 Chức năng của hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển được trang bị phần mềm SCADA chuyên dụng cho trạm biến áp có chức năng giám sát – điều khiển hệ thống. Phần mềm phải có khả năng thay đổi linh hoạt cho việc vận hành hệ thống.

Điều khiển

Chức năng điều khiển được thực hiện tại trạm thao tác và dự phòng tại các bộ điều khiển mức ngăn BCU. Các bộ BCU có thể được chế tạo riêng biệt hoặc được tích hợp trong các bộ rơ le bảo vệ. Bộ BCU có màn hình đủ lớn cho phép thể hiện sơ đồ 1 sợi của trạm, trên đó có chỉ thị vị trí của các thiết bị đóng cắt và các giá trị đo lường của ngăn.

Hệ thống điều khiển thực hiện các chức năng sau:

Đóng/ cắt các máy cắt, các dao cách ly có động cơ có kết hợp các điều kiện về hòa đồng bộ và khóa liên động thao tác
Điều chỉnh tăng/ giảm điện áp máy biến áp
Điều khiển hệ thống quạt mát máy biến áp ...
Chỉ thị trạng thái máy cắt, dao cách ly, dao nối đất; chỉ thị vị trí bộ điều chỉnh điện áp của máy biến áp

Để đảm bảo tính an toàn cao cho việc truy cập hệ thống điều khiển, sẽ có quy định về mật khẩu cho phép người can thiệp vào hệ thống ở các mức độ khác nhau như: hiển thị, thao tác, sửa đổi cấu hình.... Phần mềm điều khiển có khả năng lựa chọn hoặc bãi bỏ lựa chọn để tránh thao tác nhầm khi vận hành. Trong một thời điểm việc điều khiển chỉ có thể thực hiện từ một vị trí.

Điều khiển đóng cắt các máy cắt, dao cách ly,... được thực hiện kèm theo các điều kiện về kiểm tra đồng bộ và khóa liên độndg thao tác thông qua các BCU.

Việc điều chỉnh tăng, giảm điện áp, chỉ thị vị trí nấc của bộ điều áp dưới tải của máy biến áp được thực hiện bởi bộ điều khiển điện áp (AVR) và tại trạm thao tác.

Thu thập dữ liệu

Toàn bộ các tín hiệu của trạm cũng như các thông số đo lường được thu thập bởi bộ điều khiển mức ngăn. Sơ đồ thu thập dữ liệu của hệ thống được mô tả như hình sau.

Các tín hiệu trạng thái của các thiết bị đóng cắt như máy cắt, dao cách ly…được kết nối và thu thập vào các bộ BCU, rơle bảo vệ…thông qua các module đầu vào DI
Các tín hiệu đo lường của các đường dây 110kV, MBA, các xuất tuyến trung thế 35kV hoặc 22kV… được kết nối và thu thập vào các bộ BCU, rơle bảo vệ…thông qua các module đầu vào AI

Các tín hiệu điều khiển các thiết bị đóng- cắt, điều áp…được thực thi thông qua các môđun đầu ra BO của BCU, relays

Toàn bộ các tín hiệu của trạm cũng như các thông số đo lường được thu thập bởi bộ điều khiển mức ngăn. Các dữ liệu được thu thập theo thời gian thực, xử lý sơ bộ tại bộ điều khiển mức ngăn. Các dữ liệu được chuyển tới máy chủ, hiển thị lên màn hình. Các dữ liệu thu thập bao gồm :

Sơ đồ vận hành của trạm và vị trí của các thiết bị như: máy cắt, dao cách ly, dao nối đất.
Vị trí nấc của bộ điều áp dưới tải máy biến áp, nhiệt độ dầu, nhiệt độ cuộn dây của máy biến áp.
Tình trạng làm việc của các thiết bị điện trong trạm
Các thông số đo lường U, I, P, Q, f...của các đường dây, máy biến áp,...

Lưu giữ thông tin

Các thông tin gồm: các thông số vận hành, tình trạng thiết bị, các sự kiện, báo động ... sẽ được lưu giữ tại máy tính gateway. Các dữ liệu được lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu là hệ cơ sở dữ liệu kiểu quan hệ. Các thông tin, tài liệu vận hành (operating manual, technical manual, datasheet, manufactor information,...) về thiết bị nhất thứ, nhị thứ... có thể truy cập trực tiếp trên giao diện vận hành HMI.

Xử lý dữ liệu-thao tác vận hành

Thường xuyên xử lý và thực hiện các tính toán cần thiết đối với các số liệu nhận được, khi có các thông tin không bình thường cần ghi lại hoặc thông báo cho người vận hành bằng ánh sáng hoặc âm thanh.

Quá trình thao tác được linh hoạt thông qua các thanh công cụ của hệ thống. Hệ thống được thiết kế giao diện vận hành kiểu Window, có sẵn các công cụ thao thác cơ bản như : hệ thống Window Menu, các tính năng, đổi màu thanh cái tự động theo cấp điện áp (Dynamic Busbar Coloring) Zoom in, Zoom out, Panning, de-cluttering... các tính năng hỗ trợ người dùng ghi chú (notes) , đánh dấu (marking) ... hướng dẫn vận hành cho các thiết bị với các màu sắc khác nhau ( xanh, đỏ, vàng )....thuận tiện cho thao tác theo dõi sơ đồ hệ thống, vận hành thiết bị...

Lập các báo cáo

Hệ thống có khả năng tạo các báo cáo và tạo các đồ thị các thông số đo lường (Measurement report) theo thời gian thực...Có khả năng lưu trữ dữ liệu 10 triệu bản ghi các dữ liệu hoặc 02 năm. Các báo cáo và đồ thị có thể được xử lý bằng các công cụ zoom/pan/ cut/paste/ruler..với chức năng nhiều dạng, kiểu đồ thị ...được gửi theo yêu cầu của người vận hành hoặc được tự động in thẳng ra máy in theo chương trình được lập trước.

Lập danh sách các sự kiện và các báo động

Hệ thống có khả năng tạo danh sách các sự kiện (event list), alarm (alarm list) (dạng bảng hoặc đồ thị). Các tín hiệu alarm, event có thể được đưa vào các nhóm sự kiện (signal group) dễ dàng cho việc theo dõi. Hệ thống có thể đưa ra danh sách các sự kiện, đối tượng, thiết bị đang bị khóa, không được thao tác, vận hành, hiển thị (Blocking list) ...

Giám sát và chỉnh định rơ le

Hệ thống điều khiển có khả năng giao tiếp với hệ thống rơ le bảo vệ, có khả năng giám sát, chỉnh định các thông số của rơ le.

Đồng bộ thời gian cho toàn bộ các thiết bị của hệ thống

Hệ thống được trang bị anten và bộ tham chiếu thời gian Time Server lấy theo hệ thống định vị toàn cầu (GPS) theo giao thức NTP (Network Time Protocol). Các IEDs có thể đồng bộ thời gian theo thiết bị điều khiển chính (gateway).

Kết nối với hệ thống SCADA/EMS, mạng diện rộng (WAN).

Hệ thống điều khiển có khả năng trao đổi số liệu với hệ thống SCADA để điều khiển giám sát từ xa.

k. Khả năng chuyển đổi giao diện vận hành sang tiếng Việt: hệ thống hỗ trợ người vận hành trong trường hợp được yêu cầu.

l. Tích hợp các tác vụ giám sát, điều khiển với hệ thống camera ngay trên màn hình vận hành hệ thống.

Trên màn hình vận hành hệ thống có sẵn các biểu tượng thao tác mà người vận hành qua đó có thể giám sát bằng camera các thao tác vận hành của mình.

m.Chức năng lưu giữ hình ảnh giám sát bằng camera qua bộ IP Recorder (Đã bao gồm bộ điều khiển PTZ): Dung lượng lưu giữ đủ lớn cho các dữ liệu trong thời gian tối thiểu 2 năm.

1.1.2 Phân cấp điều khiển:

Việc điều khiển và giám sát đối với Trạm được thực hiện ở các mức sau:

Mức 1: Từ Trung tâm điều độ hệ thống điện miền

Trạm 110kV có thể điều khiển và giám sát bởi Trung tâm điều độ HTĐ Miền (qua hệ thống kết nối SCADA của trạm miền.

Mức 2: Từ Trung tâm điều khiển khu vực .

Trạm sẽ thuộc quyền điều khiển trực tiếp của Trung tâm điều khiển địa phương và điều độ bởi Trung tâm điều độ HTĐ Miền. Trong một thời điểm chỉ có một trung tâm có quyền điều khiển.

Mức 3: Từ trạm thao tác của trạm

Tại trạm thao tác có thể điều khiển và giám sát hoạt động của các thiết bị trong phạm vi trạm. Trạm thao tác được đặt trong phòng điều khiển của trạm biến áp.

Mức 4: Điều khiển tại tủ điều khiển - bảo vệ của từng ngăn lộ.

Từ bộ điều khiển mức ngăn

Chức năng điều khiển, thu thập, xử lý các tín hiệu số, tín hiệu tương tự trong một ngăn, trung chuyển các lệnh điều khiển từ trạm thao tác tới các thiết bị của ngăn được thực hiện thông qua bộ điều khiển mức ngăn. Bộ điều khiển mức ngăn được tích hợp trong các bộ rơ le bảo vệ. Màn hình của bộ điều khiển mức ngăn đủ lớn để thể hiện đầy đủ sơ đồ 1 sợi của ngăn cùng các giá trị đo lường của ngăn và vị trí của máy cắt, dao cách ly, dao nối đất,...

Từ bộ điều khiển dự phòng

Để thực hiện các chức năng điều khiển, giám sát quan trọng đối với các phần tử trong trạm khi hệ thống điều khiển bằng máy tính ngừng làm việc, tại các tủ điều khiển bảo vệ có lắp khóa điều khiển đóng cắt máy cắt.

Mức 5: Điều khiển trực tiếp tại thiết bị

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển trạm được thể hiện trên mô hình dưới đây :

Sơ đồ tổ chức hệ thống điều khiển các trạm trong khu vực

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

( 1) PGS.TS Phạm Văn hòa. ThS Đặng Tiến Trung. ThS Lê Anh Tuấn – Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu – Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội- 2011.

(2) TS Nguyễn Tuấn Linh Tài liệu học tập SCADA – Đại học Bách khoa Hà Nội.