Chương 10: Dao ngắt

định mức làm việc liên tục bằng với điện áp dây của hệ thống. Bảng 12.6: Lựa chọn điện áp định mức của chống sét VariSTAR Điện áp của hệ thống (kV) Định mức của chống sét (kV) Định mức Lớn nhất Hệ thống 3 pha 4 dây nối Y trung tính nối đất lặp lại Hệ thống 3 pha 3 dây nối Y trung tính nối đất trực tiếp tại nguồn Hệ thống 3 pha nối Δ không nối đất hay nối Y nhưng trung tính nối đất qua điện kháng 3.3 3.7 3 6 6 6.6 7.3 6 9 9 10.0 11.5 9 12 12-15 11.0 12.0 9-10 12 12-15 16.4 18.0 15 - 18-21 22.0 24.0 18-21 24 24-27 183 33.0 36.3 27-30 36 36-39 47.0 52.0 39-48 54 60 66.0 72.0 54-60 60 - Trong một số các điều kiện làm việc đặc biệt của hệ thống như khi đóng điện máy biến áp với một số kiểu đấu dây nhất định và hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra, các chống sét lúc ấy sẽ chịu các quá điện áp. Sau đây là bảng lựa chọn chống sét của Cooper Power Systrems áp dụng cho từng hệ thống riêng lẻ. 5. Các đặc tính thử nghiệm Chống sét VariSTAR UItraSIL được thiết kế và thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 99-4. Thử nghiệm chu kỳ làm việc Đối với chống sét UNS: 20 lần dòng xung 5 kA, dạng sóng 8/20 μs, sau đó là hai lần dòng xung cao 65 kA đỉnh (dạng sóng 4/10 μs). Đối với chống sét UNS: 20 lần dòng xung 10 kA dạng sóng 8/20 μs, sau đó là hai lần dòng xung cao 100 kA đỉnh (dạng sóng 4/10 μs). Kiểm tra khả năng chịu đựng dòng xung trong thời gian dài Đối với chống sét UNS: 18 lần dòng xung 75 kA trong thời gian 1000 μs. Đối với chống sét UHS: 18 lần dòng xung ở mức năng lượng phóng theo tiêu chuẩn IEC cấp 1 (xấp xỉ 250A, 2000 μs). Sau mỗi thử nghiệm, các chống sét vẫn ở trạng thái ổn định nhiệt nhờ các kiểm tra sau: • Dòng rò có giá trị giảm liên tục trong vòng 30 phút khi chống sét được phóng điện ở điện áp Uc. • Không có biểu hiện suy giảm về mặt cấu tạo hay về các đặc tính điện học. • Điện áp phóng điện ở 5kA hay 10kA được đo lường sau mỗi lần thử nghiệm thay đổi ít hơn 5% so với giá trị ban đầu. Tất cả các thử nghiệm đều được thực hiện trong các phòng thí nghiệm độc lập, theo tiêu chuẩn IEC - 99-4. Kiểm tra khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch Các thử nghiệm này sẽ chứng minh khả năng chịu đựng dòng sự cố mà không bị nổ chống sét. Tất cả các vỏ bọc chống sét UItraSIL đều được kiểm tra phù hợp với các yêu cầu được liệt kê trong IEC - 99 - 4/IEC - 99 - 1 và là loại không nổ. Bảng 12.7: Kiểm tra khả năng chịu đựng áp suất Loại chống sét Cấp chịu đựng áp lực theo IEC Biên độ dòng sự cố (kA) Thời gian nhỏ nhất tồn tại sự cố (giây) UNS/UHS B 0,8 20 0,5 02 Khả năng quá điện áp tạm thời (TOV) Khả năng chịu đựng quá điện áp tạm thời ở tần số 60Hz được cho theo đồ thị. Dựa vào đồ thị tính được thời gian mà chống sét có thể chịu quá điện áp (tính bằng đơn vị tương đối với cơ sở là MCOV của chống sét) mà không bị hư hỏng. Các đặc tính bảo vệ Chống sét UitraSIL VariSTAR có khả năng bảo vệ quá điện áp một cách hiệu quả cho các thiết bị điện trung thế. Các đặc tính bảo vệ của họ chống sét UltraSIL cho trên bảng 12-8 và 12-9. Bảng 12.8: Các đặc tính bảo vệ - VariSTAR UNS, IN= 5 kA (IEC - 94-4) Định mức MCOV Điện áp dư do Điện áp dư khi có xung sét dạng sóng 8/20μs (kV) CS (kV) (kV) Xung có độ dốc lớn 1,5 kA 3 kA 5 kA 10 kA 20 kA 40 kA 184 3 6 9 10 12 15 18 21 24 27 30 33 36 2.55 5.1 7.65 8.4 10.2 12.7 15.3 17 19.5 22.0 24.4 27.0 29.0 10.9 21.8 31.4 32.7 41.1 51.3 61.6 65.4 76.3 86.3 96.2 107.0 115.0 9.0 17.9 25.8 26.9 33.8 42.2 50.6 53.7 62.7 71.0 79.1 87.8 94.7 9.7 19.4 28.0 29.1 36.5 45.7 54.8 58.2 67.8 76.8 85.6 95.1 103.0 10.4 2.08 30 31.2 39.2 49.0 58.5 62.4 72.8 82.4 91.8 102.0 110.0 11.4 22.7 32.8 34.1 42.9 53.6 64.3 68.2 79.6 90.1 100.0 112.0 120.0 13.0 26.0 37.4 38.9 48.9 61.1 73.4 77.9 90.8 103.0 115.0 127.0 137.0 15.1 30.2 43.5 45.3 56.9 71.1 85.3 90.6 106.0 120.0 133.0 148.0 160.0 Bảng 12-9: Các đặc tính bảo vệ - VariSTAR UHS, IN =10 kA (IEC-99-4) Định mức CS (kV) MCOV (kV) Điện áp dư do xung có đô dốc lớn Điện áp dư khi có xung sét dạng sóng 8/20 μs (kV) Điện áp dư do xung đóng cắt đường dây dạng sóng 30/60 μs (kV) 1,5kA 3 kA 5 kA 10 kA 20 kA 40 kA 125 A 500 A 3 6 9 10 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 54 60 2.55 5.10 7.65 8.40 10.2 12.7 15.3 17.0 19.5 22.0 24.4 27.0 29.0 31.5 34.0 36.5 39.0 42.0 48.0 11.3 22.6 32.6 33.9 42.6 53.2 63.9 67.8 79.1 89.5 99.7 110.8 119.5 130.3 141.2 152.1 162.9 176.0 197.7 8.6 17.2 24.8 25.8 32.4 40.4 48.5 51.5 60.1 68.0 75.8 84.2 90.8 99.1 107.0 116.0 124.0 134.0 150.0 9.1 18.2 26.3 27.4 34.4 43.0 51.6 54.7 63.9 72.3 80.5 89.5 96.5 105.0 114.0 123.0 132.0 142.0 160.0 9.1 18.2 26.3 27.4 34.4 43.0 51.6 54.7 63.9 72.3 80.5 89.5 96.5 105.0 114.0 123.0 132.0 142.0 167.0 10.4 20.8 30.0 31.2 39.2 49.0 58.8 62.4 72.8 82.4 91.8 102.0 110.0 120.0 130.0 140.0 150.0 162.0 182.0 11.5 23.0 33.2 34.5 43.3 54.2 65.0 69.0 80.5 91.1 101.0 113.0 122.0 133.0 144.0 155.0 166.0 179.0 201.0 13.0 25.9 37.4 38.9 48.8 61.0 73.2 77.7 90.7 103.0 114.0 127.0 137.0 149.0 162.0 174.0 187.0 202.0 227.0 7.4 14.8 21.4 22.2 27.9 34.9 41.9 44.4 51.9 58.7 65.4 72.7 78.4 85.5 92.6 99.7 107.0 115.0 130.0 7.9 15.9 22.9 23.8 29.9 37.4 44.8 47.6 55.5 62.8 70.0 77.8 83.9 91.5 99.1 107.0 114.0 124.0 139.0 Chương 13. KHÁNG ĐIỆN 13.1. KHÁI NIỆM CHUNG 1. Khái niệm Kháng điện là một cuộn dây điện cảm có điện kháng không đổi (không có lõi thép L>>R), dùng để hạn chế dòng ngắn mạch đồng thời duy trì một trị số điện áp ở mức nhất định khi có sự cố ngắn mạch xảy ra. 185 Để điện kháng không đổi thì cuộn dây phải không có lõi thép, vì khi có lõi thép thì nếu ngắn mạch xảy ra dòng tăng làm lõi thép bão hòa kết quả điện kháng sẽ giảm không hạn chế được dòng ngắn mạch (Inm). Tham số cơ bản của điện kháng được tính là XK% tương ứng điện áp với UΔ % (bỏ qua điện áp trên điện trở), sụt áp pha: ].V[I.XU âmKph =Δ Kháng điện được chọn theo điện áp định mức, dòng điện định mức và XK%, kiểm tra ổn định động và ổn định nhiệt. 2. Yêu cầu của kháng điện a) Quá điện áp không được phát sinh đánh thủng cách điện giữa các vòng dây và cách điện đối với đất. Không được phát sinh phóng điện cục bộ trên bề mặt của kháng điện. b) Kháng điện phải có đủ độ bền nhiệt và điện động. c) Tổn hao công suất trong kháng điện phải ít nhất (tổn hao không được gây phát nóng kháng điện quá mức cho phép). 13.2. LỰA CHỌN VÀ KIỂM TRA KHÁNG ĐIỆN 1. Lựa chọn kháng điện Lựa chọn kháng điện theo điện áp, dòng điện và giá trị XK% cần phối hợp với máy ngắt điện đã đặt trong mạch của nó, có nghĩa là xuất phát từ điều kiện ngắn mạch sau kháng điện, dòng siêu quá độ không vượt quá dòng điện cắt định mức của máy ngắt điện. Ví du hình 13-1: ngắn mạch tại điểm N, điện kháng tổng của hệ thống từ nguồn đến nơi sự cố tại N là: càõtMCÂ cb KHT I IXXX =+=∑ (13.1) - Icb: Dòng điện cơ bản. - XHT: Điện kháng hệ thống tính đến thanh cái trước kháng điện. - XK: Điện kháng của kháng điện cần tìm. XK tính theo % ứng với điều kiện dòng, áp định mức như sau: ( ) âmK bc âmmaûngâmK HTHttK .UI .UI XXX −= ∑ (13.2) Trong đó: IđmK: dòng định mức của kháng điện UđmK: điện áp định mức của kháng điện. Uđmmang: điện áp trung bình định mức nơi đặt kháng điện. Từ (13-2) ta tra bảng có sẵn chọn XK≥XKtt. Chú ý: nếu biết tiết diện cáp nhỏ nhất sau kháng điện thì khi tính XK% cũng tiến hành tương tự như trên. Nhớ rằng lúc xác định XΣ đáng lẽ dùng dòng cắt định mức IcắtMCĐ công thức (13-1) thì phải thay bằng dòng ổn định nhiệt của cáp tương ứng Iôđ . 186 2. Kiểm tra kháng điện Sau khi chọn kháng điện ta phải tính tổn hao điện áp trong tình trạng làm việc bình thường và điện áp dư trên thanh cái khi ngắn mạch sau kháng điện. Tổn thất điện áp trong tình trạng làm việc lâu dài đối với kháng điện đơn được xác định như sau: %sin. I I X%u haysin.XIu âmK lv KKlvpha ϕ=Δα=Δ . Với: Ilv dòng làm việc của nhánh ⇒ coi như chỉ có điện kháng nên sinα =1 âmK N Kdæ I I%X% Ucoï = . Với IN: dòng ngắn mạch khi sự cố sau kháng điện. Nếu điện áp thấp hơn điện áp dư cho phép UdưCP bằng 0,6Uđm thì phải tính lại điện kháng của kháng điện như sau: ( ) âmKcbdæCP âmmaûngâmKHTdæCP K(âm) .UIU1 .U.I.XU *X −= (13.3) Với: XHT: tổng điện kháng tương đối cơ bản tính đến trước điểm mắc điện kháng. Uđmmạng: điện áp định mức của cấp điện áp xảy ra ngắn mạch. X*K(đm): điện kháng tương đối của kháng điện quy về điều kiện định mức. Chuyển thành kháng điện phần trăm .100*X%X K(âm)K = từ đây chọn điện kháng tiêu chuẩn. +Kháng điện được xem là đảm bảo ổn định nếu thỏa mãn điều kiện: Iôđđ≥ IXK (13.4) Với Iôđđ: dòng ổn định động (dòng lớn nhất có thể đi qua điện kháng mà không gây ra một sự biến dạng nào của cuộn dây). + Điều kiện ổn định nhiệt : gtäânäân t.ItI ∞≥ (13.5) Mức ổn định nhiệt của kháng điện rất cao, việc kiểm tra ổn định nhiệt chỉ cần thiết với kháng điện nhỏ và thời gian tồn tại ngắn mạch lớn. tgt: thời gian tồn tại ngắn mạch. I∝: dòng ngắn mạch ổn định (xác lập). Ngoài kháng điện đơn, kháng điện hai đầu còn có kháng điện kép ba đầu, ngoài thành phần điện cảm còn có hỗ cảm (khi làm việc bình thường hai cuộn cùng làm việc thì điện kháng kép nhỏ hơn nhiều kháng điện đơn đó là ưu việt hơn của kháng điện kép, ở chế độ ngắn mạch tác dụng hạn chế ngang nhau. Tuy nhiên kháng điện đơn rẻ hơn kháng điện kép, và thường dùng khi số đường dây ít hơn). Hình 13-2: Kháng điện kép a) Khi làm việc bình thường; b) Khi ngắn mạch một đường dây I1 I1 a) I I2 I2 I I b) 187 Hình 13-3: Các cách nối kháng điện thông dụng nhất: a)nối đường dây nguồn cung cấp;b)nối đường dây đi ra; c)nối phân đoạn thanh góp Hình 13-4: Đặt kháng điện hạn chế dòng điện đỉnh:Dn -đường kính trung bình của kháng điện,a-khoảng cách giữa đường tâm kháng điện và bộ phận kim loại: 1.Tường cốt thép;2.Thanh cốt thép(kích thước trên theo mm) ≅ MC Kháng N HT ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ a ) b ) c ) d ) 188 Chương 14. BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG 14.1. BIẾN ĐIỆN ÁP (BU) 1. Chức năng và các thông số chính của BU Biến điện áp đo lường dùng để biến đổi điện áp từ trị số lớn xuống trị số thích hợp (100V hay 100/ 3 V) để cung cấp cho các dụng cụ đo lường, rơle và tự động hóa. Như vậy các dụng cụ thứ cấp được tách khỏi mạch điện cao áp nên rất an toàn cho người. Cũng vì an toàn, một trong những đầu ra của cuộn dây thứ cấp phải được nối đất. Các dụng cụ phía thứ cấp của BU có điện trở rất lớn nên có thể coi BU làm việc ở chế độ không tải. BU bao gồm các thông số chính như sau: a) Hệ số biến đổi định mức âm2 âm1 âm U UK = Trong đó: U1đm , U2đm là các điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp. Điện áp sơ cấp đo lường được nhờ BU qua điện áp thứ cấp gần đúng bằng: U1 ≈ U2.Kđm . b) Sai số của biến điện áp Xét BU một pha có sơ đồ thay thế hình 14-1a, trong đó: z1 = r1 + jx1 : tổng trở cuộn sơ cấp. z2 = r2’ + jx2’ : tổng trở cuộn thứ cấp đã qui đổi về sơ cấp. z’ = r’ + jx’ : tổng trở phụ tải đã qui đổi về sơ cấp; z0 = r0 + jx0 - tổng trở mạch từ. Theo sơ đồ thay thế dựng được đồ thị véctơ các dòng áp (Hình 14-1b). Trên hình 14-2b, các véctơ U’2 và E’2 cũng như I’2 là các véctơ điện áp và dòng điện đã qui đổi về phía sơ cấp. Qua đồ thị véctơ thấy rằng, điện áp thứ cấp đã tăng lên Kđm lần (tức U’2), sai khác với điện áp sơ cấp U1 cả về pha lẫn trị số. Đó chính là do tổn thất trong BU gây nên. Sai số của BU được xác định như sau. Sai số trị số: 100. U UU.K%U 1 12âm −=Δ Sai số góc δu(góc lệch giữa U’2 và U1). Căn cứ vào đồ thị véctơ hình 14- 1b có thể xây dựng được biểu thức sai số điện áp và sai số góc của nó. Theo đồ thị có thế viết được: , OC AB OC OCOAU ≈−=Δ và OC BCsin uu =δ≈δ a) b) Hình 14-1. Biến điện áp một pha a) Sơ đồ thay thế; b) Đồ thị véctơ 1U 1I 2U x r x' r '2I  x' r ' 0I x r 2E' 1U 2U 2I' 0I' Φ I0r 1 jI0x1 jI’2(r1+ r’2) jI’2(x1+ x’2) δu C B A 189 Tóm lại AB và BC xác định sai số trị số và sai số góc của biến điện áp đồng thời xét phần thực và phần ảo của véc tơ AC. Ta có: )]'zz('IzI[)UU(ACCA 21210 ' 21  ++−=−−=−= Biến đổi biểu thức trên, tách phần thực và ảo sẽ có: , U )'xx('I)'rr('IxIrI , U )'xx('I)'rr('IxIrIU 1 21a221a21a01or u 1 21r221a21r01oa +−++−=δ +++++−=Δ trong đó oíoa0 IjII  += và r2a22 'Ij'I'I  += Ta thấy rằng sai số của biến điện áp là một hàm số phụ thuộc vào nhiều thông số. Dòng I0 phụ thuộc vào mạch từ, nên để giảm sai số cần dùng thép kĩ thuật điện tốt để làm mạch từ. Dòng I2 phụ thuộc vào tải thứ cấp, vậy công suất các dụng cụ phía thứ cấp không được vượt quá công suất định mức của biến điện áp (Spt ≤ SđmBU ). Tổng trở Z1 và Z2 phụ thuộc vào cấu tạo cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của biến điện áp. Để giảm sai số người ta chọn mật độ dòng trong các cuộn dây của BU nhỏ hơn so với trong máy biến áp điện lực. c). Cấp chính xác của biến điện áp Căn cứ và sai số của BU mà người ta đặt tên cho cấp chính xác cho chúng. Cấp chính xác của BU là sai số điện áp lớn nhất khi nó làm việc trong các điều kiện : tần số 50Hz, điện áp sơ cấp biến thiên trong khoảng U1 = (0,9 ÷ 1,1)U1đm, còn phụ tải thứ cấp thay đổi trong giới hạn từ 0,25 đến định mức và cosϕ = 0,8. Biến điện áp được chế tạo với các cấp chính xác 0,2; 0,5; 1 và 3.BU cấp chính xác 0,2 dùng cho các đồng hồ mẫu trong phòng thí nghiệm; cấp 0,5 dùng cho công tơ điện, còn cấp 1 và 3 dùng cho các đồng hồ để bảng. Riêng đối với rơle, tùy theo yêu cầu của từng loại bảo vệ mà cấp chính xác của BU cho thích hợp. 2. Phân loại và cấu tạo biến điện áp Biến điện áp được phân thành hai loại: khô và dầu. Mỗi loại lại có thể phân theo số lượng pha: biến điện áp một pha và 3 pha. Biến điện áp khô chỉ dùng cho TBPP trong nhà. Biến điện áp khô một pha dùng cho cấp điện áp 6kV trở lại, còn biến điện áp 190 khô ba pha dùng cho điện áp đến 500V. Theo kí hiệu của Liên xô cũ: HOC : biến điện áp khô một pha và HTC: biến điện áp khô 3 pha. Biến điện áp dầu được chế tạo với điện áp 3kV trở lên và dùng cho TBPP cả trong và nhà và lẫn ngoài trời. Trên hình 14-2 trình bày biến điện áp dầu một pha điện áp 35kV trở lại. Liên xô chế tạo biến điện áp dầu một pha loại HOM. Biến điện áp dầu ba pha năm trụ (hình 14-3) được chế tạo với điện áp 3 ÷ 20kV. Nó gồm một mạch từ năm trụ (trong đó có ba trụ có dây quấn, còn hai trụ bên không dây quấn để cho từ thông thứ tự không chạy qua) và hai cuộn dây thứ cấp nối hình sao và hình tam giác hở. Cuộn dây nối hình sao abc cung cấp cho các dụng cụ đo lường, rơle và kiểm tra cách điện. Cuộn dây nối tam giác hở a1-x1 nối với rơle điện áp để cho tín hiệu khi có một pha chạm đất trong lưới cao áp. Bình thường Udll = Ua + Ub + Uc = 0. Khi một điểm chạm đất trong lưới cao áp, điện áp Udll = 3U0, trong đó U0 - điện áp thứ tự không, do đó rơle tác động báo tín hiệu chạm đất. Đối với điện áp 110kV trở lên, để giảm bớt kích thước và làm nhẹ cách điện của biến điận áp người ta dùng biến điện áp kiểu phân cấp (hình 14-4). Biến điện áp kiểu phân cấp bao gồm nhiều tầng lõi từ xếp chồng lên nhau, mà cuộn dây sơ cấp phân bố đều trên các lõi, còn cuộn dây thứ cấp chỉ ở trên lõi từ cuối cùng. Số tầng lõi từ phụ thuộc vào điện áp định mức 110kV có hai tầng, còn 220kV trở lên thì số tầng nhiều hơn. Đối với điện áp 500kV và cao hơn người ta phân chia điện áp bằng tụ để lấy một phần điện áp cao rồi mới đưa vào biến điện áp (hình 14-5). Điện áp lấy trên C2 bằng khoảng 10-15kV, sau đó nhờ biến điện áp một pha hạ xuống điện áp thích hợp cho đo lường, rơle và tự động hóa. Để điện áp thứ cấp U2 không thay đổi theo phụ tải cần đặt thêm điện kháng P và bộ chống nhiễu N. a) Sơ đồ nối dây của biến điện áp. b) Hai biến điện áp (hình 14-6). Sơ đồ BU chỉ cho phép đo điện áp dây (UAB, UBC) mà không đo được điện áp pha. Sơ đồ này dùng rộng rãi cho lưới có dòng chạm đất nhỏ và khi phụ tải là là Óat kế và công tơ. c) Biến điện áp ba pha năm trụ (Y0/Y0/Δ) đã nêu công dụng khi mô tả cấu tạo ở trên. d) Biến điện áp ba pha ba trụ nối Y/Y: Dùng cho lưới có dòng chạm đất bé để cung cấp cho các dụng cụ đo lường điện áp dây không đòi hỏi cấp chính xác cao. 14.2. BIẾN DÒNG ĐIỆN (BI) 1. Công dụng và các thông số chính của BI Biến dòng điện dùng để biến đổi dòng từ trị số lớn hơn xuống trị số thích hợp (thường là 5A, trường hợp đặc biệt là 1A hay 10A) với các dụng cụ đo và rơle, tự động hóa. Cuộn dây sơ cấp của biến dòng có số vòng rất nhỏ, có khi chỉ một vài vòng, còn cuộn thứ cấp có số vòng nhiều hơn và luôn được nối đất đề phòng khi cách điện giữa sơ và thứ cấp bị chọc thủng thì không nguy hiểm cho dụng cụ phía thứ cấp và người phục vụ. Phụ tải thứ cấp của biến dòng điện rất nhỏ vì vậy có thể coi biến C1 P N BU U1 U2 Usc Hình 14-5:bộ phận chia điện áp bằng tụ A B C a b c a x a x c A X A X c Hình 14-6:Sơ đồ nối hai biến điện áp 191 dòng luôn làm việc ở trạng thái ngắn mạch. Trong trường hợp không có tải phải nối đất cuộn thứ cấp để tránh quá điện áp cho nó. Biến dòng điện bao gồm các thông số chính sau. a) Hệ số biến đổi định mức , I IK âm2 âm1 âm = trong đó I1đm và I2đm là dòng định mức sơ và thứ cấp tương ứng. Dòng sơ cấp được đo gần đúng nhờ BI: I1 ≈ KđmI2 : dòng đo được ở phía thứ cấp. b) Sai số của biến dòng Sơ đồ thay thế của biến dòng cho trên hình 14-7a. Theo sơ đồ thay thế có thể dựng được đồ thị véctơ của BI (hình 14-7b). Trên (hình 14-7b) thấy rằng dòng thứ cấp tăng Kđm lần (tức là I’2) sai khác với dòng sơ cấp I1 cả về pha lẫn trị số. Sai số của biến dòng gồm hai thành phần: sai số dòng và sai số góc. Sai số dòng: 100. I II.K%I 1 12âm −=Δ (2-51) Sai số góc δ1 - góc lệch pha giữa I’2 và I1 Căn cứ vào đồ thị véctơ có thể xây dựng được biểu thức sai số. Ta có: ),(Sin I I OA CB OA OAOCI 1 0 ψ+α=≈−=Δ và ).(Sin I I OA ABsin 1 0 11 ψ+α==δ≈δ Vậy: ).cos( I I )sin( I II 1 0 1 1 0 ψ+α=δ ψ+α=Δ Hình 14-7:Sơ đồ biến dòng:a)Sơ đồ thay thế,b)Đồ thi véc tơ Từ biểu thức trên ta thấy rằng sai số phụ thuộc vào tỉ số I0/I1, phụ tải thứ cấp và góc α. Để giảm sai số của biến dòng người ta dùng thép kĩ thuật điện tốt cho mạch từ và tăng số vòng dây thứ cấp. 1I 2U x1 r1 x'2 r'2 2I x' r' 0I x0 r0 2E' a) jI'2x’2 jI'2x’E’2 U’2 α I’2r’2 I’2r’ Ψ ΦI0 I1I’2c I0 α + Ψ 0 b) 192 b) Cấp chính xác cúa biến dòng Cấp chính xác của biến dòng là sai số dòng lớn nhất khi nó làm việc trong các điều kiện: tần số 50Hz, phụ tải thứ cấp thay đổi từ 0,25 đến 1,2 định mức. Biến dòng có năm cấp chính xác: 0,2; 0,5; 1; 3 và 10. BI cấp chính xác 0,2 dùng cho các đồng hồ mẫu; cấp 0,5 dùng cho công tơ điện, còn cấp 1 và 3 dùng cho đồng hồ để bảng; cấp 10 dùng cho các bộ truyền động của máy ngắt. Riêng đó với rơle, tùy theo yêu cầu của từng loại bảo vệ mà dùng cấp chính xác của BI cho thích hợp. 2. Phân loại cấu tạo Biến dòng có hai loại chính: biến dòng kiểu xuyên và biến dòng kiểu đế. Biến dòng kiểu xuyên có cuộn dây sơ cấp là một thanh dẫn xuyên qua lõi từ, còn cuộn dây thứ cấp quấn trên lõi từ (hình 14-8a). Tùy theo dòng định mức sơ cấp mà thanh dẫn xuyên có hình dáng và thiết diện khác nhau, chẳng hạn trên hình 14-8b, nó có dạng thẳng, tiết diện to dùng cho dòng sơ cấp 600A trở lên, còn hình 14-8c thì nó cong, có tiết diện nhỏ hơn dùng cho dòng sơ cấp dưới 600A. khi dòng định mức sơ cấp lớn (6000 ÷ 18000A) điện áp 20kV, cuộn dây sơ cấp là thanh dẫn hình máng (hình 14-8d). số lượng lõi từ và số lượng cuộn dây thứ cấp tùy thuộc vào công dụng từng loại. Trong biến dòng kiểu xuyên, các lõi và các cuộn dây thứ cấp được bọc trong nhựa cách điện êpôxy. Đối với TBPP ngoài trời, người ta dùng biến dòng kiểu đế, vỏ của nó bằng sứ, cách điện bên trong bằng giấy dầu (hình 14-9a). Trong thùng sứ chứa dầu, phía dưới thùng có hộp các đầu ra của các cuộn dây thứ cấp (thường có một số cuộn dây thứ cấp). Khi điện áp cao, thực hiện cách điện giữa các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp gặp khó khăn. Vì vậy với cấp điện áp 330kV và cao hơn người ta dùng biến dòng kiểu phân cấp (hình 14-9b), mỗi cấp có lõi thép riêng. Một vài kí hiệu của Liên xô (cũ) cho các biến dòng kể trên như sau: biến dòng kiểu xuyên TΠOΛ-10 ( dòng 600A và cao hơn), TΠΛ-10 (dòng dưới 600A), TΠΛ-205 (dòng 6000-18000A); biến dòng kiểu đế có: TΦH (một cấp), TPH (nhiều cấp). Ngoài hai loại chính biến dòng kể trên còn có các loại biến dòng chuyên dùng khác như biến dòng thứ tự không, biến dòng bão hòa nhanh, biến dòng chuyên dùng cho bảo vệ so lệnh ngang của máy phát điện,... 193 196 Chương 15. HỆ THIẾT BỊ SCADA 15.1. CÔNG DỤNG - CHỨC NĂNG CỦA HỆ SCADA 1. Giới thiệu hệ SCADA SCADA là tên viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition, nghĩa là hệ điều khiển giám sát và thu thập số liệu sản xuất. SCADA là một công cụ tự động hóa công nghiệp, dùng kĩ thuật vi tính PLC/RTU, để trợ giúp việc điều hành kĩ thuật ở các cấp trực ban điều hành của sản xuất công nghiệp: từ cấp phân xưởng, xí nghiệp (hay trạm điện), đến các cấp cao nhất của một công ty. Chức năng mỗi cấp SCADA là cung cấp những dịch vụ chuẩn sau: a) Thu thập từ xa Thu qua đường truyền số liệu các số liệu về sản xuất, và tổ chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu lịch sử về sản xuất, về sự kiện thao tác về báo động,...). b) Dùng các cơ sở số liệu đó để cung cấp những dịch vụ về điều khiển giám sát hệ sản xuất • Hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất (trang màn hình trang đồ thị, trang sự kiện, trang báo động, trang báo cáo sản xuất,...). • Điều khiển từ xa quá trình sản xuất (đóng / cắt các máy cắt, tăng / giảm nấc phân áp,...). c) Thực hiện các dịch vụ về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài (đọc viết số liệu PLC/RTU, gởi trả lời các bản tin yêu cầu của cấp trên về số liệu, về thao tác hệ) Nhìn chung SCADA là một hệ kết hợp phần cứng - phần mềm vi tính để tự động hóa việc quản lí giám sát điều khiển cho một đối tượng sản xuất công nghiệp. Tùy yêu cầu cụ thể của bài toán tự động hóa ấy, có thể xây dựng hệ SCADA thực hiện một số trong những nhiệm vụ tự động hóa sau: • Thu thập giám sát từ xa về đối tượng. • Điều khiển đóng/cắt từ xa lên đối tượng. • Điều chỉnh tự động từ xa lên đối tượng. • Thông tin từ xa với các đối tượng và các cấp quản lí. Các chức năng đó mỗi thứ đều có những yêu cầu đặc biệt đối với các bộ phần cứng, phần mềm chuyên trách của SCADA. Cụ thể là: • Phần đo - giám sát xa cần bảo đảm thu thập, lưu giữ, hiển thị, in ấn đủ những số liệu cần cho quản lí kĩ thuật. • Phần điều khiển thao tác xa phải bảo đảm được việc kiểm tra "ĐÓNG" an toàn, đúng đắn. Đối với việc "ĐÓNG" lưới cao áp phải có thiết bị thực hiện hòa đồng bộ lên thanh cái cao áp kiểu tự động. Bên cạnh SCADA cần phải có "ĐÓNG / CẮT" bằng tay. • Phần điều chỉnh tự động từ xa cần phân định và quy định trong nhiệm vụ điều chỉnh điện áp, tần số ở trạm phát điện, trong nhiệm vụ điều áp của Tap changer ở trạm điện, hệ SCADA phải đảm nhiệm đến đâu. • Phần truyền tin xa phải quy định rõ các nhiệm vụ truyền số liệu hiện trường và nhất là nhiệm vụ thủ tục truyền số liệu với các cấp SCADA điều độ. 2. Kết cấu cơ bản của hệ SCADA Theo truyền thống của từng hãng chế tạo, các SCADA những năm 90-95 thường có kết cấu, có các thành phần với chức năng hơi khác nhau. Tuy nhiên trong vài năm gần đây đã có những tiến bộ quan trọng của máy PC với các dịch vụ MFC, GUI rất tiện lợi của hệ điều hành Microsoft Windows 95, 98, 197 NT, của PLC mới và mặt khác là các tiến bộ mới của các transmitter / RTU số thông minh. Những điều quan trọng này đã dẫn các hãng đến khuynnh hướng hệ SCADA kết cấu theo những chỉ tiêu sau: • Máy tính chủ SCADA là PC với Microsoft Windows 95, 98, NT. • Bus truyền tin là multidrop (với PC Master) tiêu chuẩn RS485, với các protocol truyền tin công nghiệp master slaver được chọn dùng nhiều nhất. • • Thiết bị thu thập số liệu và truyền tin với PC là: - PLC (hoặc RTU ) dùng với các transmitter analog 0÷10V. - Hoặc là transmitter số thông minh. Sơ đồ một hệ SCADA mới cơ bản theo chỉ tiêu như vậy, dùng ở cấp phân xưởng hay trạm điện như hình 15-1. SCADA trạm PC với Windows 95/98/NT Bus RS-232 Liên lạc ngoài hệ PLC hay RTU Vào 0÷10V Chuẩn hóa DC Điều khiển ra 0÷24V Transmitter hay RTU số thông minh Điều khiển ra 0÷24V Lượng vật lí vào chuyển đổi Hình 15-1 Phương án scada trạm điện lực SCADA CIMPLICITY AND PLC ETHERNET CIMPLICITY Viewers CIMPLICITY Server Facility Wide Server 198 Hình 15-2: SCADA phân xưởng 3. Các cấp SCADA trong xí nghiệp công nghiệp Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức phân nhiệm nhiều cấp quản lí, mỗi cấp có những nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển riêng lên những đối tượng máy móc trong hệ thống. Trong đó có tình hình là các đối tượng máy móc thường lắp đặt trong địa phương của cấp quản lí phân xưởng xí nghiệp là cấp dưới. Và cũng có một đặc điểm nữa là một đối tượng tuy thuộc sự giám sát - điều khiển của cấp trên về mặt sản xuất nhưng cũng còn thuộc sự giám sát - điều khiển vật lí cụ thể về mặt vận hành, chuẩn đoán và bảo dưỡng của những cấp khác thấp hơn. Những điều này là cơ sở chỉ đạo cho việc tổ chức các cấp SCADA quản lí hệ thống sản xuất ngày. nay. Những nguyên tắc chính sau: a) Cấp SCADA phân xưởng ở dưới sẽ thực hiện việc thu thập số liệu trên các máy móc trong phân xưởng, có sự phân loại rõ máy móc thiết bị nào được quản lí về sản xuất bởi cấp SCADA nào. Các số liệu phân loại ấy sẽ được các SCADA truyền tin báo cáo từ cấp dưới lên cấp trên, theo nhịp gọi của các SCADA cấp cao hơn một cấp cho đến cấp cần thu thập, lưu giữ, hiển thị, in ấn, sử dụng cho điều khiển sản xuất ở các cấp. b) Mỗi cấp sẽ thực hiện bài toán phân tích, tính toán được giao và tính đưa ra các lệnh thao tác thay đổi hay tăng giảm chỉ tiêu hay đóng/cắt các đối tượng của mình. Nó sẽ qua hệ truyền tin gởi lệnh ấy tới cấp SCADA liên quan để thực hiện. Truyền tin xa các văn phòng KĐ xa SCADA xí nghiệp Máy quản trị Hệ thông tin quản lí Mạng Ethernet truyền tin giữa các SCADA xí nghiệp SCADA phân xưởng Ethernet RS-485 RS-485 RS-485 RS-485 SCADA Phân xưởng 199 Để thực hiện những bài toán điều khiển, phân tích riêng này của mình, SCADA mỗi cấp thường được trang bị thêm những phần cứng máy tính, phần mềm phân tích chuyên dụng. Nó lấy số liệu hiện hành từ SCADA cung cấp để giải bài toán đó cho ra kết quả cho người và cho cả hệ SCADA. Sơ đồ hình 15-2 giới thiệu một mạng SCADA của cấp phân xưởng và cấp xí nghiệp. Từ hệ trên ta thấy có nhiều dạng mạng truyền tin trong hệ: • Truyền tin giữa PC master và PLC slave phân xưởng trên bus RS-485 multidrop với protocol RTU hoặc tương đương. • Truyền tin nhanh, nhiều về đo lường, điều khiển sản xuất giữa các PC phân xưởng với các PC xí nghiệp: SCADA, Administrator, Management Information System MIS. Thường dùng mạng Ethernet hay Ethernet TCP/IP multidrop 10Mbd. • Nếu cần từ PC máy quản trị PC SCADA xí nghiệp có thể tổ chức một mạng truyền tin, thường là dùng vô tuyến điện, để truyền tin với các văn phòng quản lí kinh doanh cấp trên đặt ở xa. 15.2. TỔ CHỨC SCADA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN LỰC 1. Tổ chức bố trí một cấp SCADA Trong hệ thống điện lực trước hết để đáp ứng yêu cầu tự động hóa và số hóa việc quản lí sản xuất trong hệ thống điện lực và kèm theo nó phản ánh những điều kiện kinh tế - kĩ thuật của thực tế sản xuất điện lực. 2. Nhận xét đánh giá Đối với các mạng siêu cao áp, cao áp thì việc tính toán xử lí để ra lệnh thao tác điều khiển việc phát - truyền tải là nhiệm vụ đặc thù của các trung tâm điều độ quản lí mạng. Cấp trạm không đủ khả năng đảm nhận việc này. Có một thực tế là việc thu thập số liệu và thực hiện thao tác sản xuất lại được thực hiện ở các trạm đặt ở xa. Những việc này muốn được điều khiển tự động từ xa, từ các trung tâm điều độ thì phải có một mạng truyền tin tốt giữa trung tâm với các trạm và các thiết bị thừa hành thao tác, hòa đồng bộ cũng như các thiết bị cắt, chuyển mạch phải được tự động hóa tốt và hoạt động tin cậy. Trong điều kiện còn chưa hoàn hảo thì có thể giao việc thu thập và thao tác cao áp, siêu cao áp cho trạm thực hiện theo lệnh của điều độ. • Còn việc quản lí phân phối cung cấp điện ở trung áp thì thường giao cho các trạm làm. Trạm có đủ số liệu này và khả năng này, để giải phóng bớt gánh nặng các cấp điều độ truyền tải. • Đến khi có thể bảo đảm mức độ hoàn thiện của tự động hóa SCADA và truyền tin, thì các nhiệm vụ thao tác, thông tin đơn giản của trạm sẽ có thể được hoàn toàn tự động hóa, không cần có người trực ban sản xuất nữa. Ta sẽ có những trạm không người trực. Bảng 15.1: Tóm tắt những cấp quản lí kĩ thuật sản xuất điện lực Cấp quản lí Nội dung quản lí chính • Phát và truyền tải điện lực siêu cao áp 500÷1000kV liên vùng lãnh thổ quốc gia. • Phương án phát P, Q các nguồn phát chủ yếu quốc gia. • Quản lí tần số, dự phòng ổn định tĩnh, động của hệ thống quốc gia. Trào lưu công suất truyền tải quốc gia. • Thu thập số liệu, thao tác bảo vệ rơle, chuẩn đoán, bảo dưỡng thiết bị siêu cao áp. • Phát và truyền tải điện lực đến các trạm trong mạng cao áp 220kV khu vực. • Phương án phát P, Q các nguồn chủ khu vực. • Trào lưu công suất, phân bố điện áp 220kV ở các trọng tâm tải. Dự phòng ổn định của nguồn khu vực. • Thu thập số liệu, thao tác, bảo vệ, chuẩn đoán, bảo dưỡng thiết bị 220kV. • Phân phối điện lực trong địa bàn các mạng 110kV. • Phát Q bù, trào lưu công suất.. Phân bố áp 110kV trong mạng trong địa bàn. • Thu thập số liệu, thao tác, bảo vê, chuẩn đoán, bảo dưỡng thiết bị 110kV. 200 • Phân phối, cung cấp điện lực địa phương mạng ≤ 35kV. • Phát Q bù địa phương. Điều chỉnh điện áp trung áp với Tap changer, sa thải thải theo tần. • Cung cấp điện lực hạ áp khu dân cư, xí nghiệp nhỏ. • Thao tác, bảo vệ, bảo dưỡng thiết bị hạ áp. Khi từ SCADA điều độ cần điều khiển thao tác xuống một thiết bị cao áp, nó sẽ gởi qua đường truyền một bản tin lệnh thao tác xuống RTU của thiết bị đó ở trạm liên quan để thực hiện. Một cách khác bản tin lệnh cũng có thể gởi xuống SCADA trạm, để nó thực hiện thao tác. Đường truyền tin từ SCADA điều độ xuống mỗi trạm thường là tải ba, cáp quang hay radio một kênh. Cho nên ở lối vào SCADA điều độ phải đặt thêm một máy PC làm phân kênh - tập trung liên lạc với các kênh xuống các trạm. Ở nơi đường truyền tải ba / radio của điều độ vào mỗi trạm, nếu có SCADA trạm thì có thể kết nối nó vào cổng truyền tin của SCADA trạm. Nếu không có SCADA trạm, mà có đặt những RTU của điều độ thì phải đặt thêm một máy chuyển Adapter multidrop lên bus multidrop của các RTU. 3. Các loại hình SCADA trong hệ thống điện lực Từ phân tích trên người ta đã đề ra vài loại hình SCADA sau: a) SCADA điều độ mạng truyền tải cao áp, siêu cao áp Nó dùng để trợ giúp người điều độ đo lường điều khiển về kĩ thuật sản xuất các mạng cao áp, siêu cao áp trong các việc sau: SCADA EMS DTS Điều độ Mạng truyền nhanh Ethernet Đường tải ba, Radio,Cáp quang Các SCADA Trạm RS-485 RS-485 RS-485 Protocol H iện trường Vào 0÷10V Điều khiển ra Ch ẩ hó DC 0 24V DC Màn chiếu rộng Màn chiếu rộng Phân kênh Phân kênh PLC,RTU, IED 202 -Nó thu thập và quản lí các số đo và trạng thái của các đối tượng cao áp đặt ở các trạm. Các số liệu này được truyền từ các trạm lên qua những đường truyền riêng (tải ba, hoặc cáp quang hoặc radio, viba).Nó tiến hành những tính toán về phân tích, nhận dạng, về điều khiển tối ưu, về dự báo các trào lưu và phân bố điện áp cũng như về dự phòng ổn định. Khối lượng tính toán điều khiển này thường lớn và phức tạp vượt ra ngoài khuôn khổ của các SCADA thông thường. Do đó bên cạnh SCADA điều độ thường đặt thêm hai loại máy tính chuyên trách khác trợ giúp cho nó là: -Máy tính EMS(Energy Manahement System) có phần mềm đặc biệt chuyên dụng làm những tính toán nói trên, sử dụng số liệu vào do SCADA cung cấp. -Máy DTS(Dispatcher Training Simulator) có phần mềm là một bộ mô phỏng mềm của mạng cao áp cũng sử dụng số liệu do SCADA cấp cho. Để huấn luyện các điều độ viên, người ta ra đề cho điều độ viên tiến hành những điều khiển, thao tác lên bộ mô phỏng này, thay cho thao tác lên thiết bị thật để tập dượt. Mỗi trình tự thao tác ấy sẽ được DTS phân tích, đánh giá đúng sai và cho điểm. b) SCADA trạm SCADA trạm dùng trợ giúp cho trực trạm để thu thập số liệu giám sát và thao tác điều khiển lên: -Trước hết là thiết bị trung áp và Tap Changer của trạm. -Trong trường hợp được giao thêm, cả việc thu thập cao áp để báo cáo SCADA điều độ (có lưu giữ) và thực hiện các lệnh thao tác thiết bị cao áp của SCADA điều độ gởi xuống (hoặc các trực trạm). SCADA NHÀ MÁY ĐIỆN QUẢN TRỊ NHÀ MÁY ĐIỆN QUẢN LÍ TRẠM ĐIỆN Turbine Máy phát Nén khí Đập-Hồ chứa Trạm điện Trạm điện (Server) (Server) (Server) (Server) Cao áp Trung áp RS-485 RS-485 RS-485 RS-485 RS-485 RS-485 Sensor Van, Sensor Mức so P,h Ap lực Motor U,I,f phát xung Motor nén khí Transmitter thủy văn Transmitter I,P,Q Hình 15-4 SCADA và quản trị thủy điện (Viewer) Ethernet TCP/IP 203 Hình 15-5: Sơ đồ khối thực hiện N N Y N Y Y Có bản tin từ SCADA cấp trên Có yêu cầu phục vụ của trực ban(phím, chuột) Đến chu trình mới chưa ? Nhận và giải mã bản tin Thực hiện các yêu cầu của SCADA cấp trên Thực hiện các yêu cầu của trực ban Bắt đầu chu trình -Bộ phận quản lí thông tin gửi bản tin đến từng nút PLC/IDE thứ XX lấy các thông số đo đển XX -Nhận bản tin về các số đo đó cất vào Buffer thu -Bộ quản trị CSDL cập nhật các số liệu mới, cập nhật các cơ sở số liệu về sự kiện( Event), về báo động (Alarm). -Bộ quản lí View Graphics cập nhật các số liệu lên các trang đồ họa(graphics), trang đồ thị 204 Việc truyền lệnh thao tác có thể bằng số (không người trực), hoặc bằng điện thoại qua người trực trạm. Mạch thu thập số liệu có thể thực hiện tùy sự thiết kế bằng: +1÷2 PLC và các transmitter analog. +Một bộ Card RTU với các transmitter analog. +Hoặc một số transmitter số điện lực thành bộ thông minh. SCADA trạm có những bus truyền tin sau: +Một bus gọi số liệu / truyền lệnh hiện trường kiểu RS-485 nối SCADA trạm multidrop với các PLC hoặc các RTU hoặc các transmitter điện lực thông minh. +Một hoặc một vài bus truyền tin RS-232 để giao tiếp thông tin với một hoặc vài SCADA điều độ cao áp 220kV,110kV. 15.3. PHẦN MỀM RUNTIME THƯỜNG LỆ CỦA SCADA Phần mềm RUNTIME của SCADA là một chương trình thực hiện các nhiệm vụ của cụ thể. Giống như các chương trình trong thời gian thực, chương trình này chạy trong một thời gian ngắn và lặp lại theo chu trình, thường chu trình của SCADA trạm từ 1 giây đến 2 giây. Chu trình của SCADA điều độ từ 2 giây đến 10 giây. Nhiệm vụ của SCADA trong mỗi chu trình bắt đầu bằng thu thập số đo của các đối tượng điều khiển, biểu hiện các số liệu ấy cho người trực và thực hiện những dịch vụ bất chợt khác nhau theo yêu cầu của trực ban, trong đó có dịch vụ về điều khiển xa, điều chỉnh xa, giữ báo cáo số liệu lên cấp trên,... Các nhiệm vụ trên có những phần theo trật tự trước sau như :gọi bởi số đo, cập nhật các số liệu mới nhưng cũng có những phần dịch vụ có thể đồng thời chồng lên nhau; yêu cầu hệ SCADA phải thực hiện được hết. Vì vậy hệ RUNTIME SCADA phải được chạy trên một hệ điều hành đa nhiệm - đa luồng (multi - task - multithead). Thích hợp nhất hiện nay là những hệ điều hành Windows 95/98 NT, hoặc những hệ điều hành vi tính gốc UNIX . Qua lưu đồ trên ta thấy hệ RUNTIME SCADA là những chương trình chính để chạy máy. Nó được lập trên cơ sở dùng những modul phần mềm chức năng chính như : • Modul quản lí phát thu các bản tín hiệu trường (với PLC, RTU ) và thu phát bản tin của điều độ. • Modul quản trị các cơ sơ số liệu (về sản xuất, về event, alarm). • Modul quản lí View - Graphic (về các trang graphic, trend). • Các modul quản lí dịch vụ chuột (về các trang graphic, trang trend, về in báo cáo sản xuất , về đóng /cắt (có/không hòa đồng bộ), tăng /giảm ,...) 15.4. HỆ PHẦN MỀM THƯƠNG PHẨM SCADA CÔNG NGHIỆP Từ những năm 95 một số hãng đã đưa bán ra thị trường những phần mềm thương phẩm SCADA công nghiệp. Những người thiết kế tự động hóa có thể lắp ráp nên một hệ phần cứng PC, PLC, bus thông tin và dùng phần mềm SCADA phát triển như thế để thiết kế ra một chương trình RUNTIME SCADA thích hợp để chạy phần cứng đó, và do đó tạo ra một hệ SCADA hoàn chỉnh, thích hợp cho đồ án của mình. Những phần mềm thương phẩm SCADA này thường xây dựng với các chỉ tiêu chất lượng tốt, sử dụng dễ dàng tiện lợi mà lại kinh tế, bớt công đầu tư nghiên cứu (giá mua bằng 1,5 lần giá một bộ transmitter). Thực chất phần mềm SCADA thương phẩm này gồm 2 phần chính • Một chương trình RUNTIME SCADA với các thông số hoạt động của các modul chức năng còn để trống chưa được xác định. Chính người thiết kế một đồ án SCADA cụ thể sẽ khai báo các thông số này cho thích hợp với yêu cầu của đồ án. * Một phần mềm gọi là phần thiết kế cấu hình nó là một phần mềm đối thoại gồm những modul công cụ thiết kế. Các công cụ này sẽ qua cách đối thoại lập trình thân thiện với người thiết kế để giúp việc khai báo đúng đủ các thông số cần thiết để hướng dẫn các modulchức năng trên có thể hoat động. 205 * Một chương trình compiler sẽ dịch các modul với các thông số khai báo này. Các công cụ chính đế thiết kế cấu hình xếp theo thứ tự các bước thiết kế * Công cụ khởi tạo ra đồ án Project mới. * Công cụ Device để khai báo về các PLC được dùng (hãng, kiểu,...). * Công cụ Communication để khai báo về Protocol truyền tin, các Port truyền tin, địa chỉ các nút truyền tin ở các Device. * Công cụ Point để khai báo về các điểm đo số liệu (tên, kiểu biến, format biến, điều kiện đo, cách đo, cách tính đổi,...). * Công cụ View - Graphic Baikler để giúp việc vẽ các trang graphic và khai báo các hoạt họa cập nhật trên các trang * Công cụ Trend để khai báo các trang đồ thị trend. * Công cụ Report để khai báo format các báo cáo. * Công cụ Alarm để khai báo định nghĩa các alarm ,... * Công cụ phím cửa sổ để thiết kế và định nghĩa các phím mềm và các cửa sổ đối thoại,... Đặc biệt chú ý, bên cạnh những modul ấy còn có những modul để hướng dẫn cho người dùng các bước thiết kế ra đồ án "SCADA PROJECT" của mình. Chúng cho người dùng những chỉ dẫn rõ ràng, vắn tắt, thân thiện tiện lợi. Chúng thường mang tên là: "HELP"hay "PROJECT DESIGN GUIDE". Cuối cùng trong gói phần mềm SCADA thương phẩm trên đĩa hoặc đĩa quang còn có những tài liệu kĩ thuật nói chi tiết về các bộ phận, cách dùng chúng để người dùng tham khảo đi sâu. Nói chung sự hướng dẫn ấy đủ giúp các kĩ sư tự động hóa có thể dùng các gói phần mềm SCADA này để thể thiết kế triển khai đề án SCADA cụ thể của mình. 15.5. CÁC MẠNG TRUYỀN TIN CỦA SCADA Hệ SCADA hoạt động được là nhờ có những mạng truyền tin để cung cấp trao đổi số liệu giữa SCADA với các đối tượng và với các SCADA khác. Trong hệ SCADA trạm thường dùng một số mạng truyền tin nối tiếp dạng bus : * bus hiện trường * các bus truyền tin vối các hệ SCADA cấp trên ở xa * bus truyền tin giữa PC SCADA chủ và những PC quản lí khác trong trạm. * đường truyền tin với máy in 1. Mạng BUS truyền tin hiện trường RS-485 Tiêu chuẩn RS - 485 quy định nó là một mạng bus cấp 2 dây, đơn giản là 2 dây xoắn để truyền tin kiểu multidrop giữa PC SCADA làm master với các PORT PS - 485 làm slave, của các thiết bị số PLC, RTU hay Transmitter thông minh. Multidrop là tất cả các Port (có "VÀO" và "RA") mỗi cái đưa 2 cực A(-),B(+), đều nối lên vào 2 dây A(-), B(+) chung của bus truyền tin. Bus đó đảm bảo sự liên lạc thu phát giữa một Port nào đó là Phát với một hoặc một số Port nào đó khác là thu. Trường hợp trên gọi là liên lạc truyền bản tin, trường hợp dưới gọi là quảng báo truyền bản tin Kết cấu bus là đơn giản nhất : chỉ có 2 dây, A(-),B(+). Dây đất nếu có thêm chỉ là để che chắn nhiễu cho A(-),B(+). Điểm đấu nối Drop Point từ bus vào mỗi Port cũng đơn giản, nói chung không cần thêm linh kiện chuyển tiếp. Tín hiệu trên 2 dây A(-), B(+) này là vi sai và đổi dấu, dùng để ký hiệu 2 mã “1” và “0” như sau : + là “1” (mark) khi UBA > 0. + là “0” (Space) ) khi UBA <0. Mức độ dùng được của biên độ tin hiệu khi UBA cho phép từ 2V đến 6V, thường dùng mức 5V (có miền bất định 1/0 là 0,2V ). Tần số bit (baudrate) được dùng từ 9,6kbd đến 10kbd. Thường dùng 19.2kbd, 38.4kbd hay 100kbd với khoảng cách truyền tới 2 km. Số lượng Port nối lên một đoạn bus cho phép là 32 Port. Nếu muốn thêm Port thì cuối đoạn bus phải lắp nối tiếp thêm một mạch khuyết / tạo dáng Repeater. Repeater ấy có thể truyền thêm cho 32 Port nữa. Cứ như vậy có thể lắp thêm những Repeater nữa để truyền tin Multidrop giữa 256 Port . Tổ chức truyền tin công nghiệp master - slave là một cách quy định được dùng nhiều trong công nghiệp để thực hiện việc đọc lấy số liệu đo từ máy slave ở hiện trường lên máy master và viết số liệu lệnh từ máy master xuống máy slave như sau : 206 • Một (hoặc vài ) máy điều khiển làm master, và những máy hiện trường là slave có đánh số địa chỉ Port 01, 02,... • Mỗi chu trình đọc hoặt viết đều do Port master khởi đầu bằng cách gởi xuống Port slave XX một bản tin yêu cầu "Đọc" hoặc "Viết" cái gì. • Port slave XX sẽ nhận bản tin đó thực hiện yêu cầu "Đọc" hoặc "Viết" đó và gởi lại Port master một bản tin trả lời/báo cáo. Chú ý: Cần nói rõ thêm là từ hình vẽ sơ lược trên thấy rằng trên một đoạn bus có nhiều Port nối lên (max 23 Port). Mỗi Port lại có một lối ra và một lối vào. Mỗi lối vào có điện trở quang 5kΩ. Tất cả các lối vào 32 cái sẽ làm thành một điện trở tải của bus quang 200Ω, tiêu thụ dòng điện của Port phát hạn chế ở mức 20 đến 30mA. Đặt nhiều Port hơn nữa sẽ làm quá tải các Port phát. Còn về các lối "RA" bình thường tất cả các lối "RA" lên bus đều tự động cắt khỏi bus (gọi là 3 state hay trạng thái 3). Chỉ khi nào một Port có bản tin lên bus thì nó mới tự động đấu lối "RA" của nó lên bus để phát. Do đó các lối "RA" không cản phá nhau khi phát, bảo đảm đưa được bản tin nguyên vẹn lên bus. 2. BUS truyền tin PC SCADA với máy tải ba RS - 232 Nó không phải là bus multidrop mà là bus truyền tin 1 điểm với 1 điểm (point to point). Tiêu chuẩn RS - 232 quy định bus truyền tin 1 điểm 1 điểm như sau : nó là một hệ bus phức tạp gồm : * Đê truyền tín hiệu cần dùng 3 ( hoặc 4) dây bus truyền tin, tạo nên đường đi so với đất, đường về so đất nối giữa lối ra bên này với lối vào bên kia. Tín hiệu đi về trên các dây ấy qui định 12 V hoặc 24 V so đất để biểu diễn số “1” (-12 V) và số “0” (+12 V). * Để liên hệ bên phát băt tay với bên thu, có thể quy định lắp chèn thêm một modem giữa Port của PC với Port của tải ba. Đồng thời lắp thêm giá PC với Modem và giữa modem với tải ba một số dây bus điều khiển với các tín hiệu điều khiển số: - RTS Request to Send (bên phát báo modem sẵn sàng muốn phát). - CTS Clear to Send (modem báo tải ba sẵn sàng muốn phát). - DSR Data Set Ready (máy tải ba sẵn sàng chuyển tin sàng). - DTR Data Terminal Ready (máy phát tin sẵn sàng). - Có thể thêm tín hiệu Clock. Các ổ cắm nối bus RS - 232 quy định là ổ 25 chân DB -25 hoặc ổ 9 chân DB - 9 với quy định cụ thể chức năng mỗi chân. Tốc độ truyền tin lên tải ba thường quy định là 9,6kbd. Tốc độ bit và khoảng cách truyền tin RS - 232 kém hơn của RS - 485, việc truyền tin RS - 232 và RS - 485 là không đồng bộ 8 bit /char hay 9 bit char. Protocol truyền tin hiện trường công nghiệp có nhiều loại khác nhau. Thường dùng nhiều nhất ( tới 40% ứng dụng công nghiệp) là Protocol RTU -Modbus của hãng Modicon hoặc RTU plus. 15.6. TRUYỀN TIN TRONG HỆ SCADA 1. Các dạng truyền tin trong hệ SCADA Việc truyền tin trong hệ SCADA chiếm vị trí quan trong bậc nhất. Nó phải truyền đủ nhanh chính xác các loại thông tin khác nhau và đảm bảo sự hoạt động chính xác trong thời gian thực yêu cầu của hệ. Do vậy các hãng chế tạo SCADA đã hết sức chú ý dịch vụ này. Các hãng đã cố tạo ra những phương thức, tiêu chuẩn, thủ tục truyền tin thống nhất, thích hợp nhất đủ nhanh và đủ chắc chắn phục vụ cho việc truyền các loại luồng tin khác nhau trong hệ. Các luồng truyền tin giữa phần mềm chủ SCADA với các phần mềm của các thiết bị hiện trường thiết bị I/O, SCADA cấp trên hay các phần mềm ứng dụng bên ngoài ( như : EMS , DMS,...) Bảng 15.2: Tổng kết lại các bảng truyền tin thường dùng trong hệ SCADA Truyền tin Kiểu truyền Tiêu chuẩn thường dùng Máy chủ với IDE hiện trường Không đồng bộ kiểu multidrop RS-485 PLC thu thập với IDE hiện trường Không đồng bộ kiểu multidrop RS-485 207 Máy chủ với máy dự phòng máy DMS, EMS và DTS Đồng bộ kiểu multidrop Ethernet TCP/IP Máy chủ với SCADA cấp trên Không đồng bộ kiểu singledrop RS-232 tải ba, modem hay Radio 450 Hz SCADA với các ứng dụng khác Bản tin qua bộ nhớ DDE ( Dynamic Data Exchange) SCADA với các thư viện (Library) Đọc viết library DLL( Dynamic Link Library) SCADA với hệ điều hành (Windows) Quản lí các cửa sổ Windows SCADA với máy in Song song, nối tiếp RS-232 , ASC II Như vậy ta thấy rằng truyền tin trong hệ SCADA chính là truyền tin số. 2. Truyền tin số Là truyền đi các bản tin số (mã dưới dạng các bit hay byte,...) từ nơi phát đến nơi thu có những tín hiệu truyền để đảm bảo việc truyền số liệu: a) Từ một ứng dụng này đến một ứng dụng (chương trình) Trong truyền tin công nghiệp thường là: - Giữa một ứng dụng chủ(master) với một ứng dụng slave hay giữa một ứng dụng khách hàng (client) với các ứng dụng của server phục vụ. - Giữa các ứng dụng chủ với các ứng dụng slave của mỗi master. - Giữa các master với nhau. b) Theo các qui định / protocol về - Kênh truyền bit tín hiệu(phisical). - Dạng tín hiệu : bit 0/1 bằng điện áp, bằng dòng lớn bé ra sao hay bằng tần số ,...tín hiệu số đất hay cân bằng. - Tốc độ truyền : 110, 300, 600, 1.2 kbd, 2.4 kbd, 9.6 kbd, 38.4 kbd , 1Mbd, 2 Mbd, 10Mbd - Thiết bị truyền : cáp lõi, cáp đồng trục, dây xoắn hay cáp quang. - Kết cấu, cách mã hóa các nhóm bit hay các byte, kết cấu của một phần bảng tin được truyền một lần gọi là gói tin ( data link protocol): - Byte đồng bộ /byte kiểu không đồng bộ. - Thông số về gói tin: độ dài, kiểu thông số,... - Số các gói tin hợp thành bản tin (transport). - Theo những qui định về cách tìm đường truyền từ device nút phát tới device nút thu (routing hay network routing). - Theo những qui định về tổ chức phiên (session). - Theo những qui định về cách trình bày ( presentation). Các protocol này được ISO xếp thành 7 lớp: - Lớp protocol về ứng dụng ( Application Layer). - Lớp protocol về trình bày ( presentation Layer). - Lớp protocol về phiên truyền ( Session Layer). - Lớp protocol về vận chuyển bản tin ( Transport layer). - Lớp protocol về tìm đường trong mạng ( network routing Layer). - Lớp protocol về dạng thúc số liệu ( data link Layer). - Lớp protocol vật lí ( Phisical layer). Nhìn chung cho đến nay người ta muốn đi đến thống nhất chọn một phương thức tiêu chuẩn truyền tin ở lớp vật lí ( Phisical Layer) như sau: - Truyền tin đồng bộ 2/10 Mbd Ethenet TCP/IP , bus multidrop cho các - luồng tin nhiều và nhanh giữa các máy tính trong hệ và có thể giữa máy SCADA với PLC. - Truyền không đồng bộ tốc độ vừa phải RS-232 singledrop cho các bảng tin không lớn nhưng ngẫu nhiên từ xa. - Truyền không đồng bộ RS-485 half duplex tốc độ nhanh vừa phải 100Kbd đến l Mbd giữa máy tính chủ hay PLC thu thập với các IDE, RTU ở hiện trường trên bus multidrop. Còn đối với protocol các lớp cao qui định cấu trúc các bảng tin như sau: - Khởi đầu các bảng tin ( lớp data Link). 208 - Địa chỉ nhân, độ dài bảng tin ( lớp network). - Nội dung số liệu, lệnh xuống ( lớp application). - Khuôn dạng số liệu đo trả về ( lớp data link). - CheckSum, CRC ( lớp data link). Thì chưa có sự thống nhất. Hiện nay có những protocol công nghiệp của một số hãng Modicon AEG ( Modbus Protocol), Allen Bradley được dùng nhiều chiếm 40% sản phẩm thế giới nhiều chuẩn SCADA cũng dùng chuẩn ModBus. 3. Truyền tin hiện trường Việc truyền tin hiện trường nhằm đảm bảo việc máy chủ thường xuyên thông tin với các I/O PLC hay các IDE. Đã thống nhất được các thông tin theo kiểu: - Máy chủ gửi một bảng tin từng lệnh đến PLC hay IDE trên bus multidrop - PLC hay IDE liên quan thực hiện mỗi lệnh đó và gửi trả lời một bảng tin kết qủa. Các bản tin do máy chủ gửi đi thường là lệnh Read các loại số liệu của PLC, IDE và một vài lệnh Write một số hệ số, bằng số, gán địa chỉ hay đơn vị cho các số đó Các bản tin trả lời thường là gửi về các số liệu trạng thái đo của IDE hay PLC hay báo cáo các tình trạng có sai trong bản tin nhận được.