Hệ thống SCADA, EMS trong hệ thống điện

A. Hệ thống SCADA/EMS trong hệ thống điện I. Tổng quan: - Trong việc quản lý và điều hành hệ thống điện, hệ thống SCADA/EMS đóng vai trò rất quan trọng, giúp cho Kỹ sư điều hành HTĐ nắm bắt và sử lý chính xác, theo sát mọi diễn biến trong hệ thống điện. - Trong hệ thống SCADA/EMS, thiết bị đầu cuối RTU, Gateway là phần tử rất quan trọng có nhiệm vụ thu thập và phản ánh tình trạng của các thiết bị đang tham gia hoạt động trong HTĐ. Nó là công đoạn đầu tiên trong toàn bộ quá trình sử lý thông tin của hệ thống SCADA/EMS. - Chất lượng của hệ thống SCADA/EMS phụ thuộc rất nhiều vào khả năng hoạt động liên tục, ổn định và tính chính xác của thiết bị đầu cuối. - SCADA/EMS là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu/quản lý hệ thống điện, xây dựng trên cơ sở hệ thống đo lường xa Nguyên tắc làm việc của hệ thống SCADA như sau: + Thu thập dữ liệu: Dữ liệu từ các trạm biến áp và các nhà máy điện được chia làm ba loại chính: Dữ liệu trạng thái: trạng thái các máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, trạng thái vị trí các khoá điều khiển từ xa/ tại chỗ v.v... Cảnh báo của các bảo vệ . Dữ liệu tương tự: Công suất tác dụng MW, phản kháng MVAr, điện áp, dòng điện, vị trí nấc biến áp, tần số v.v... Dữ liệu tích luỹ theo thời gian: Điện năng kWh, kVArh v.v... Các dữ liệu trạng thái (Digital) từ các rơ le trung gian được đưa vào các đầu vào số của RTU. Các dữ liệu tương tự (analog) từ cuộn thứ cấp của máy biến dòng điện và điện áp được đưa vào các bộ biến đổi (transducer). Đầu ra của bộ biến đổi được đưa vào các vỉ đầu vào tương tự của RTU. Tại RTU dữ liệu được số hoá và thông qua kênh truyền (giao thức) gửi về trung tâm điều độ. + Điều khiển: Lệnh điều khiển từ hệ thống SCADA của trung tâm điều độ thông qua kênh truyền gửi đến RTU (hoặc SAS), các lệnh điều khiển có thể là: Lệnh đóng cắt máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa (open/close). Lệnh điều khiển tăng giảm (Raise/Lower) Lệnh điều khiển thay đổi giá trị đặt (Setpoint) + Giám sát: Dữ liệu thu thập từ các trạm về trung tâm điều khiển sẽ được máy tính xử lý: Hiển thị trên các sơ đồ, bảng biểu và các dạng đồ thị xu hướng. Đối với dữ liệu trạng thái (máy cắt, dao cách ly, cảnh báo v.v...) khi phát hiện ra có sự thay đổi trạng thái hệ thống SCADA sẽ phát cảnh báo bằng âm thanh và dòng thông báo để lôi kéo sự chú ý của người vận hành. Đối với dữ liệu giá trị đo xa, dữ liệu nhận được sẽ được kiểm tra so sánh với các ngưỡng dưới và ngưỡng trên (đã được định trước), nếu giá trị đo được bị vi phạm thì hệ thống sẽ phát cảnh báo cho người vận hành. II. Các thiết bị: Hệ thống bao gồm nhiều khối cho phép tuỳ biến trong hệ thống khi bảo trì các bộ phận hợp thành. Bất cứ phần tử nào của hệ thống cũng có thể đặt cấu hình được. Hình 1 là sơ đồ chung của toàn bộ cấu hình hệ thống Hình 1 Cấu hình đặc trưng của hệ thống SCADA/EMS II.1 Các RTU, Gateway Các thiết bị RTU có cấu trúc mô-đun khá linh hoạt, thuận lợi cho mở rộng trạm, tăng số lượng tín hiệu nối đến RTU, mỗi mođun có khối xử lý và các khối tín hiệu vào/ra, mỗi khối xử lý có hệ điều hành đa nhiệm thời gian thực cho phép có thể làm việc độc lập, nên các mođun có thể bố trí phân tán tại các tủ thiết bị trong trạm hoặc nhiều môđun có thể được liên kết với nhau để tích hợp thành 1 RTU tập trung. Việc cài đặt cấu hình của RTU có thể thực hiện bằng công cụ chạy trên môi trường Windows. Các loại tín hiệu vào ra : Các tín hiệu trạng thái: Các tín hiệu của máy cắt, dao cách ly các lộ đường dây và máy biến áp, các tín hiệu của dao nối đất, các tín hiệu cảnh báo, các tín hiệu của rơle bảo vệ các lộ đường dây, máy biến áp, các tín hiệu tác động của hệ thống rơle bảo vệ các tổ máy phát - Tín hiệu đo lường: Đối với máy biến áp: Công suất tác dụng (MW), công suất phản kháng (MVAR), điện áp (KV), cường độ dòng điện (A) ở các cấp điện áp khác nhau của máy biến áp, nấc của máy biến áp. Đối với lộ đường dây: Công suất tác dụng (MW), công suất phản kháng (MVAR), điện áp (KV), cường độ dòng điện (A). Đối với tổ máy: Công suất tác dụng (MW), công suất phản kháng (MVAR), điện áp đầu cực (KV), tổng công suất tác dụng của nhà máy (MW), tổng công suất phản kháng của nhà máy (MVAR). Đối với thanh cái: điện áp (KV). Tín hiệu đo lường tần số Giá trị luỹ kế: sản lượng trao đổi (MWH, MVARH) - Tín hiệu của điều khiển: Điều khiển tổ máy (AGC) + Phương thức điều khiển RAISE/LOWER hay SETPOINT. + Giới hạn điều chỉnh cao của tổ máy + Giới hạn điều chỉnh thấp của tổ máy + Auto control + Startup + Shutdown Điều khiển nấc máy biến áp, máy cắt, dao cách ly II.1.1 Server ứng dụng Applications Server (AS) là trái tim của hệ thống. Nó hỗ trợ các ứng dụng mạng và các chức năng SCADA, quản lý các trung tâm xử lý phân tán và duy trì cơ sở dữ liệu quan hệ. AS có thể hoạt động trong cấu hình "failsafe" với cơ sở dữ liệu cấu hình kép đảm bảo không bị mất dữ liệu trong trường hợp sự cố. AS trao đổi với các thành phần khác của hệ thống qua TCP/IP . II.1.2 Server thu nhận dữ liệu Có nhiệm vụ như bộ tiền xử lý cung cấp giao diện vật lý, tập hợp và kiểm tra các dữ liệu nhận được từ đầu cuối rồi xử lý sơ bộ để AS sử dụng. Ngoài ra còn truyền các lệnh giám sát và nhận các phản hồi, theo dõi và điều khiển đường truyền giữa EMS và các đầu cuối. II.1.3 Giao tiếp người máy MMC MMC là trạm làm việc dựa cùng với màn hình màu đồ hoạ. Mỗi MMC có thể có đến 3 màn hình hiển thị, mỗi MMC là một hệ thống máy tính đầy đủ với hệ điều hành, hệ thống nhớ, các cổng truyền tin, đĩa cứng và card giao tiếp mạng. Điều độ viên đưa ra các lệnh thông qua bàn phím, chuột, và dựa trên menu trên màn hình. III. Các phần mềm SCADA: Các phần mềm được nhóm vào 4 nhóm: Thu nhận dữ liệu, Giao tiếp người máy, Quản lý SCADA và ứng dụng SCADA. 1 Thu nhận dữ liệu - Hệ thống thu nhận dữ liệu tập hợp dữ liệu gửi lệnh điều khiển và duy trì các đường kết nối tới RTU và các hệ SCADA khác Thu nhận dữ liệu RTU - RTU Data Acquisition (RDA) Thu nhận dữ liệu từ hệ thống khác- Computer-to-Computer Remote (CCR) Giám sát điều khiển - Supervisory Control (SCS) Tính toán - Calculations (CAL) 2 Giao tiếp người máy - Hệ thống giao tiếp người máy cung cấp các thao tác hệ thống cùng với thể hiện dữ liệu và điều khiển các thiết bị. Các giao tiếp thực hiện qua màn hình, bàn phím và các thiết bị in. Hệ thống này cũng cung cấp console dể cấu hình và bảo trì hệ thống. Giao tiếp Console - Console Interface (CIS) Hiển thị - Display Retrieval and Update (DRU) Dữ liệu vào - Data Entry (DES) Ghi - Logging (LOG) Biểu đồ xu thế - Trending (TRN) Chuyển đổi Console - Console Switching (CCS) 3 Quản lý SCADA - Hệ thống quản lý SCADA bao gồm một số hệ thống con hỗn hợp dùng bởi các hệ thống khác. Đó là khởi động, khởi động lại, cảnh báo, kiểm soát lỗi, và các chức năng quản lý khác Startup/Restart Initialization (INI) Cảnh báo - Alarms (ALL) Hệ thống tính toán lỗi - System Error Accounting (SEA) Quản lý - Executive (EXC) 4 Các ứng dụng SCADA - Hệ thống các ứng dụng SCADA bao gồm các hàm thực hiện trình bày dữ liệu ở mức cao Tính toán thời gian thực - RAS Real-Time Calculations (RTC) Mapboard (MBD) Load Shed Restore (LSR) Meter Error Monitor (MEM) IV. Đo lường xa các thông số hệ thống điện (HTĐ) IV.1. Đo lường xa Giá trị đo lường và tín hiệu trạng thái: Các giá trị đo lường trong HTĐ bao gồm các đại lượng vật lý như điện áp, dòng điện, công suất hữu công, vô công, điện năng tiêu thụ, nấc máy biến áp,... Tín hiệu trạng thái trong HTĐ cho biết trạng thái đóng hoặc mở của các thiết bị như máy cắt, dao cách ly và các cảnh báo. Gọi chung các giá trị đo lường và tín hiệu trạng thái là dữ liệu HTĐ Đo lường xa các thông số HTĐ là tổ chức hệ thống thu thập dữ liệu HTĐ tại các thiết bị đầu cuối (RTU-Remote Terminal Unit) và gửi về trung tâm điều khiển (CC-Control Centre). Các kênh viễn thông khác nhau đảm bảo liên kết giữa các RTU và CC. Độ chính xác các giá trị đo lường Việc đo lường các đại lượng vật lý bao giờ cũng đi kèm sai số Độ chính xác chấp nhận được trong đo lường dữ liệu HTĐ là 1‰ (phần nghìn). Việc đo lường phần lớn dữ liệu HTĐ được thực hiện qua bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC - Analog Digital Convertor) nên sai số ở đây chủ yếu xác định bằng biểu thức: ε=1/2^n. Trong đó ε là sai số, n là số bit mà ADC dùng để biểu diễn dữ liệu Ở đây độ chính xác chính là độ phân giải của ADC. Ví dụ ADC 8 bit có độ chính xác 1/2^8=1/256 Trong thực tế các bộ chuyển đổi ADC trong RTU có n>12 do đó: εmin=1/2^12=1/5096 Độ chính xác thời gian các tín hiệu trạng thái Các tín hiệu trạng thái trong HTĐ được thu thập với độ chính xác có thể chấp nhận được về thời gian là cỡ 2ms. Tức là có thể phân biệt được sự thay đổi trạng thái của thiết bị trong 2ms. Tín hiệu trạng thái đơn và tín hiệu trạng thái kép Các thiết bị như máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa,... có ít nhất 3 trạng thái làm việc: Trạng thái đóng Trạng thái mở Trạng thái không xác định - Invalid (lỗi) Có 2 cách mã hoá trạng thái: 1 bit và 2 bit. Cách mã hoá 1 bit dùng 2 trạng thái: 0 Trạng thái đóng 1 Trạng thái mở Cách mã hoá 2 bit dùng 4 trạng thái: 00 Invalid 01 Trạng thái đóng 10 Trạng thái mở 11 Invalid Cách mã hoá 1 bit không thể hiện được hết các trạng thái làm việc của thiết bị. Việc sử dụng 1 hoặc 2 bit mã hoá tuỳ thuộc vào tầm quan trọng của thiết bị. Máy cắt và dao cách ly thường sử dụng mã hóa 2 bit Dao cách tiếp địa và cảnh báo thường sử dụng mã hóa 1 bit Thông thường cách mã hóa cần thống nhất từ phía thiết bị đến hệ thống đo lường. Trường hợp đo lường sử dụng mã hoá 2 bit và thiết bị sử dụng mã hoá 1 bit, cần chuyển đổi (bằng Rơ le trung gian 2 tiếp điểm) để tương thích 2 hệ thống. Tuy nhiên cách làm này không phản ảnh đúng thực tế khi sử dụng (ví dụ trường hợp mất nguồn nuôi Rơ le trung gian,...). Chu kỳ đo lường của RTU và chu kỳ quét của CC Mỗi RTU có thể thu thập hàng trăm giá trị đo lường và tín hiệu trạng thái và dữ liệu liệu thu thập được có thể được lưu trữ trong bộ nhớ. Đối với các hệ SCADA/EMS trên HTĐ chu kỳ đo lường không đòi hỏi quá nhanh như trong đo lường vật lý Tuy nhiên chu kỳ đo lường được xác định sao cho không quá chậm để không bỏ sót diễn biến và cũng không quá nhanh để không quá tải RTU Thông thường đo lường trên RTU được tổ chức để đo và ghi nhận dữ liệu khi giá trị vượt qua ngưỡng nào đó. Thông thường dữ liệu từ RTU được gửi về CC khi có yêu cầu (từ CC) Chu kỳ yêu cầu dữ liệu, gọi là chu kỳ quét, được xác định sao cho không quá chậm để dữ liệu không lỗi thời và không quá nhanh để CC không quá tải. Đối với các hệ SCADA/EMS chu kỳ quét chấp nhận được là vài giây đối với RTU không có chức năng điều khiển công suất tổ máy. Ngược lại chu kỳ quét có thể nhỏ hơn và cụ thể là bao nhiêu thì do thuật toán điều khiển quy định. Gán nhãn thời gian cho các giá trị đo lường và tín hiệu trạng thái Các giá trị đo lường, tín hiệu trạng thái và dữ liệu liệu đã thu thập được có thể được lưu trữ trong bộ nhớ RTU. Cần gán nhãn thời gian cho các giá trị này. Thông thường RTU được đồng bộ thời gian từ CC và CC lại được đồng bộ từ đồng hồ GPS. Do đó việc gán nhãn thời gian được đòng bộ trong toàn hệ thống với độ chính xác cao. Cách ly Galvalnic Để đảm bảo an toàn, việc ghép nối RTU với HTĐ và kênh viễn thông đòi hởi phải có cách ly Galvalnic Ghép nối RTU với kênh viễn thông thường thông qua Modem, việc cách ly được thực hiện qua biến áp âm tần của Modem Đối với ghép nối thu thập trạng thái việc cách ly được thực hiện qua Rơ le trung gian và ghép nối quang điện Đối với ghép nối thu thập giá trị đo lường việc cách ly được thực hiện bằng kỹ thuật "tụ bay" hoặc qua ghép nối quang điện có độ chính xác cao. Kỹ thuật "tụ bay" cho phép dữ liệu tương tự (đã chuyển đổi thành dòng hoặc áp 1 chiều) nạp vào tụ điện C ở giai đoạn trích mẫu (Sampling) và sau đó tụ C nối vào mạch đo lường. Tụ điện C tại 1 thời điểm chỉ được nối với HTĐ hoặc mạch đo lường (qua Rơ le hoặc quang điện) do đó mà RTU được cách ly với HTĐ. Giao thức truyền tin Dữ liệu HTĐ được trao đổi giữa các bên tham gia truyền tin (giữa RTU & CC hoặc CC&CC) qua điều khiển của giao thức truyền tin (Communication Protocol). Giao thức truyền tin là phần mềm được cài đặt ở cả 2 bên tham gia truyền tin. Giao thức truyền tin đảm bảo mọi loại dữ liệu được truyền từ RTU đến CC và ngược lại (khi điều khiển từ xa) một cách an toàn và chính xác. Giao thức truyền tin sử dụng tập hợp các câu lệnh và dữ liệu có khuôn mẫu chuẩn để 2 phía trao đổi thông tin cho nhau. Giao thức truyền tin có cơ chế phát hiện lỗi và yêu cầu phát lại để sửa lỗi. Có nhiều dạng giao thức truyền tin chuẩn được sử dụng trong thu thập dữ liệu HTĐ Khi được thiết kế và cài đặt chính xác, giao thức truyền tin không gây sai số. * Biến dòng và biến áp (CT và VT) CT và VT được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện. Chúng cho phép biến đổi dòng điện và điện áp nhất thứ sang dòng điện và điện áp nhị thứ, phục vụ công tác đo lường, Hệ số biến đổi của CT và VT được thiết kế và chuẩn hoá theo cấp điện áp và dòng điện. CT và VT cho phép cách ly nhất thứ và nhị thứ bằng 2 cuộn dây độc lập. * Bộ chuyển đổi - Transducer Transducer là các thiết bị chuyển đổi các đại lượng ở lối ra CT và VT sang dòng điện có thang chuẩn hóa: 0-10mA, -5mA-5mA,...tương ứng với đại lượng cần đo Tồn tại các Transducer dòng, áp, công suất vô công, hữu công,... Các dòng điện ở lối ra các Transducer được dẫn tới lối vào đo lường của RTU với tổng trở dây dẫn từ 0-vài kΩ tuỳ theo nhà chế tạo. Việc sử dụng nguồn dòng cho phép nối lối ra Transducer với lối vào đo lường RTU với độ dài cáp khác nhau mà vẫn không ảnh hưởng tới độ chính xác Việc sử dụng nguồn dòng cũng làm tăng khả năng chống nhiễu. * Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC- Analog Digital Converter) ADC cho phép số hoá các điện áp vào thành các giá trị nhị phân Việc tạo ra điện áp ở lối vào ADC từ lối ra dòng điện của Transducer được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp với 1 điện trở, Giá trị của điện trở này được tính trên thang dòng của lối ra Transducer và thanh áp vào của ADC. Xem hình vẽ. Ví dụ: Dòng ra của Transducer biến thiên từ 0-10mA, ứng với điện áp vào của ADC biến thiên từ 0-5V. Ta có: 5V R= --------- =500Ω 10mA Từ CT,VT Tủ trạm 0-5V R 500 Tủ RTU Transducer ADC 0-10mA Cáp dẫn IV.2. Thiết bị thu thập dữ liệu 1. Công nghệ RTU tập trung Thiết bị RTU được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật vi xử lý. Các bộ vi xử lý ngày nay được sử dụng thuộc loại từ 16 bit trở lên. Mỗi RTU có khả năng tiếp nhận hàng trăm lối vào đo lường và trạng thái Trên RTU có nhiều vỉ chức năng: CPU, bộ nhớ, ngoại vi cơ sở, lối vào tương tự (AI-Analog Input), lối vào trạng thái (DI_digital Input) Tuỳ theo dung lượng RTU mà các vỉ AI, DI được sử dụng với số lượng khác nhau. Các thiết bị RTU được tổ chức thành 3 nhóm, mỗi nhóm gồm các thiết bị lắp đặt trong 1 tủ (có thể nhiều hơn). Từ trạm và nhà máy, các tín hiệu được gom vào một tủ gọi là tủ trạm. Từ tủ trạm các tín hiệu được dẫn sang tủ trung gian, tại đây lắp đặt các rơ le trung gian, các Transducer và các thiết bị lẻ khác. Tủ RTU chứa các thiết bị điện tử (CPU, bộ nhớ, ngoại vị, vào ra tương tự, số,...) Thông thường RTU có nhiều cửa vào ra nối tiếp (RS232) phục vụ giao tiếp với CC và giao tiếp với máy tính Laptop khi thay đổi cấu hình RTU. Phần mềm cơ sở dữ liệu cho phép thay đổi thông số trên RTU trong quá trình sử dụng: Số lượng các tín hiệu vào ra Các thông số của dữ liệu Cách mã hoá trạng thái (1 hoặc 2 bit) Tốc độ truyền tin Chọn giao thức truyền tin ... RTU thường được sử dụng độc lập với các hệ thống đo lường và giám sát các trạm và nhà máy điện. Đó là các trạm và nhà máy điện sử dụng công nghệ cũ. Thông thường tồn tại độ vênh về giá trị (sai số) giữa 2 hệ thống đo lường nói trên. 2. Công nghệ RTU phân tán: Công nghệ này không gom tín hiệu vào tủ trạm, RTU chia nhỏ thành các phần nhỏ lắp đặt phân tán trong trạm và nhà máy, Mỗi phần nhỏ của RTU đảm nhiệm chức năng như của một RTU nhỏ Các phần nhỏ nói trên được liên kết với nhau bằng cáp thông tin và cả hệ thống làm việc thống nhất như trên 1 RTU. Công nghệ RTU phân tán cho phép: Đơn giản hoá thiết kế RTU Đơn giản hoá thiết kế hệ thống, đặc biệt ở các trạm và nhà máy có các thiết bị lắp đặt quá xa nhau. Đơn giản hoá việc lắp đặt thiết bị Giảm thiểu khối lượng cáp so với RTU tập trung. Phù hợp xu hướng phát triển công nghệ 3. Công nghệ GateWay: Các trạm và nhà máy mới hiện nay đều sử dụng các thiết bị công nghệ số, Cũng có thể sử dụng thêm các bộ thu thập dữ liệu, điều khiển giám sát vạn năng (PLC-Programmable Logic Control), Bằng công nghệ mạng, tất cả được tích hợp vào 1 hệ thống gọi là Hệ thống tự động hoá trạm & nhà máy. Như vậy các thiết bị điện và hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát, điều khiển đã được thiết kế trong thể thống nhất. Việc cung cấp thông tin cho các trung tâm điều khiển cấp trên (CC) chỉ là 1 phần nhỏ của hệ thống tự động hoá trạm & nhà máy. Sai số của CC chính là sai số của hệ thống tự động hoá trạm & nhà máy. Để kết nối với CC chỉ cần kênh truyền, thiết bị ghép nối truyền tin phù hợp và thống nhất khai báo dữ liệu trao đổi thông tin. IV.2. Điều khiển từ xa 1. Tổng quan: Điều khiển từ xa hiện nay được triển khai trên cơ sở công nghệ truyền số liệu. Dưới góc độ truyền số liệu bản chất điều khiển từ xa là truyền 2 loại dữ liệu: Dữ liệu về nội dung điều khiển (điều khiển cái gì) Dữ liệu về bản thân lệnh điều khiển (hành động điều khiển) Nếu coi điều khiển gồm 2 bước: bước 1 là dự lệnh và bước 2 là lệnh, ta có thể hiểu "điều khiển cái gì" là bước 1 và "hành động điều khiển" là bước 2. Bản thân cơ cấu nhận lệnh điều khiển từ xa của thiết bị đã được thiết kế theo triết lý điều khiển nói trên. Giao thức truyền tin đã cho phép các loại dữ liệu được truyền đi an toàn và chính xác giữa 2 thiết bị. Giao diện người máy của các lệnh điều khiển được thiết kế thân thiện và đảm bảo an toàn về kỹ thuật và về trách nhiệm pháp lý của người điều khiển (mật khẩu, nội dung lệnh và lệnh,...) 2. Điều khiển đóng/mở (on/off): Điều khiển đóng/mở áp dụng cho các thiết bị có 2 trạng thái như máy cắt và dao cách ly. Đây là dạng điều khiển đơn giản nhất 2. Điều khiển tăng/ giảm: Điều khiển tăng/giảm áp dụng cho các thiết bị có nhiều trạng thái như thiết bị chuyển đổi nấc biến áp, tăng giảm công suất tổ máy,... Để điều khiển tăng giảm giá trị nào đó của thiết bị thì bản thân thiết bị cũng đã được thiết kế để tăng giảm giá trị từng bước (step by step) mà phương pháp điều khiển số yêu cầu. B. Phần cứng thiết bị đầu cuối RTU, GateWay. Cấu tạo chung Trong hệ thống SCADA, RTU, Gateway là thiết bị đầu cuối thu thập dữ liệu, mã hóa theo giao thức chuẩn và truyền dữ liệu về trung tâm. RTU bao gồm cổng truyền thông tin về trung tâm điều khiển, các kênh vào ra (IO) như: Đo lường, cảm biến, chỉ thị trạng thái, điều khiển. RTU cũng có thể thu thập tín hiệu từ các thiết bị thông minh khác (IED). - RTU là thiết bị chuyên dụng có cấu trúc modun khá linh hoạt, mỗi modun có một khối xử lý và các khối tín hiệu vào/ra, thuận lợi cho việc thu thập các tín hiệu hiện có và tín hiệu mở rộng. Mỗi khối xử lý có hệ điều hành đa nhiệm thời gian thực cho phép có thể làm việc độc lập nên các modun có thể được bố trí phân tán tại các tủ thiết bị trong trạm (RTU phân tán) hoặc nhiều modun có thể được liên kết với nhau để tích hợp thành 1 RTU tập trung. Việc cài đặt cấu hình của RTU có thể thực hiện bằng công cụ chạy trên môi trường Windows. Cùng với sự phát triển của công nghệ và để tiết kiệm chi phí đầu tư, đối với các trạm/nhà máy mới xây dựng công nghệ sử dụng cổng Gateway để cung cấp số liệu SCADA về các trung tâm điều độ đã được áp dụng. Đây là công nghệ sử dụng việc ghép nối hệ thống điều khiển trạm/nhà máy (SAS/DCS) có các giao thức truyền tin khác nhau với hệ thống SCADA thông qua cổng Gateway sau khi dữ liệu đã được mã hoá lại theo giao thức chuẩn. Cổng truyền thông của RTU thường sử dụng phương thức truyền tin nối tiếp thông qua giao diện RS232, RS485 hoặc RS422. Các loại dữ liệu. Đối với hệ thống SCADA/EMS của ĐĐQG có 4 loại dữ liệu cơ bản. Dữ liệu đầu vào tương tự (Analog Input-AI). Mỗi kênh AI được mã hóa bằng 16 bit để đo các đại lượng vật lý như: Công suất, dòng điện, điện áp, vị trí chuyển nấc MBA... Các đại lượng này được biến đổi thành một đại lượng điện trung gian như U, I, sau đó sẽ được đưa vào RTU qua card Analog. Trong hệ thống SCADA đang sử dụng tại ĐĐQG, đại lượng trung gian được sử dụng là dòng điện. Vì có ưu điểm lớn là không bị suy hao trên mạch đo khi bộ biến đổi (BBĐ) đặt cách xa RTU do đó kết quả đo được tại RTU phản ánh đúng giá trị thực tế. Dữ liệu đầu vào số (Digital Input-DI). Được mã hóa bằng 1 hoặc 2 bit để hiển thị các loại cảnh báo, trạng thái các thiết bị như: Tín hiệu cảnh báo của các bảo vệ so lệch, khoảng cách, quá dòng...; Tín hiệu trạng thái máy cắt, dao cách ly, nối đất... Để ghép nối và cách ly điện giữa RTU và hệ thống điều khiển Trạm, nhà máy điện, người ta sử dụng Rơle trung gian có điện áp phù hợp với điện áp tín hiệu tương ứng. Dữ liệu đầu ra tương tự (Analog Output-AOT). Tương tự như dữ liệu đầu vào tương tự, AOT được mã hóa bằng 16 bit để điều chỉnh các đại lượng biến đổi liên tục. Lệnh điều chỉnh gửi từ các trung tâm điều độ tới RTU biến đổi D/A thành tín hiệu dòng điện (mA) và đi tác động tới cơ cấu chấp hành. Đối với hệ thống SCADA đang sử dụng tại điều độ quốc gia, dữ liệu AOT được sử dụng để điều chỉnh P, Q của các tổ máy phát. Dữ liệu đầu Ra số (Digital Output-DOT). Tương tự như dữ liệu đầu vào số, sử dụng 1 hoặc 2 bit để điều khiển vị trí các thiết bị trong hệ thống điện như: Vị trí máy cắt, dao cách ly, tiếp địa... Để ghép và cách ly giữa RTU với hệ thống điều khiển của Trạm người ta sử dụng Rơle trung gian có điện áp phù hợp với điện áp ra của Card DOT, dòng điện của tiếp điểm phụ Rơle phải đủ lớn theo yêu cầu của cơ cấu chấp hành. Ghép nối RTU với HTĐ. Ghép nối tín hiệu tương tự. Đối với tín hiệu P, Q, U, I. sử dụng BBĐ để biến các tín hiệu dòng điện, điện áp, Cos(φ) thành tín hiệu dòng điện tỷ lệ tương ứng. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ. Nguồn nuôi VT CT Transduces I U P; Q; U; I TI TAE12 RTU- CT1 x N 4 C 3 A 1 X1 2 4 1 x x x 2 B N 4 C 3 A 1 X2 2 4 3 1 x x x x RTU- VT1 x x x x 6 5 8 7 3 6 5 8 x x x x Đối với tín hiệu tần số, sử dụng BBĐ để biến f (Hz) thành tín hiệu dòng điện tỷ lệ tương ứng. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ. Tủ RTU TM f x X xxx Hệ thống điện Tủ ghép nối TU XX 0..+10 mA Nguồn nuôi VT Transduces f 1 B N 2 X1 1 2 Đối với tín hiệu chỉ thị nấc MBA, sử dụng BBĐ để biến R (Ω) thành tín hiệu dòng điện tỷ lệ tương ứng. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ. X xxx Hệ thống điện Tủ ghép nối x 2 1 TM-RTU 2 1 Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu chỉ thị chuyển nấc MBA Ghép nối tín hiệu số. Đối với tín hiệu số, sử dụng rơle trung gian để ghép nối HTĐ với RTU. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ. RTU Ghép nối tín hiệu đầu ra Analog. Đối với tín hiệu ra Analog, tín hiệu ra được nối trực tiếp vào cơ cấu chấp hành của hệ thống điều khiển. Tủ RTU Hệ thống điện Tủ ghép nối Cơ cấu chấp hành 1 B N 2 Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu Điều khiển tương tự 1 x 1 AOT-RTU 1 X xxx TM 2 x 2 Ghép nối tín hiệu đầu ra số (DOT). Đối với tín hiệu số, sử dụng rơle trung gian để ghép nối HTĐ với RTU. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ. HTĐ RTU Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu điều khiển máy cắt Tủ ghép nối Cơ sở dữ liệu Nhiệm vụ: Mô tả cấu hình phần cứng, các vỉ vào ra (I/O) hiện hữu của RTU. Khởi tạo các tham số cho cổng truyền thông giữa RTU và trung tâm điều khiển. Cấu hình các kênh (I/O) của RTU tương ứng với các tín hiệu thu thập tại trạm. Ánh xạ các kênh I/O với địa chỉ IOA tương ứng tại trung tâm điều khiển. Cấu trúc: Để thực hiện các nhiệm vụ trên, với mỗi loại RTU của các hãng khác nhau thì CSDL có cấu trúc khác nhau. Tuy nhiên, về cơ bản CSDL cho RTU đều được cấu thành bởi các modul như hình vẽ ...... RTU trên hình vẽ bao gồm 3 BAY, trong đó: BAY 1: Quản lý các vỉ Analog Input, Analog Output. Ngoài ra BAY 1 còn có nhiệm vụ làm cổng truyền thông, quản lý các tham số cấu hình cổng truyền thông (IEC GEN), quản lý các địa chỉ IOA truyền về trung tâm điều khiển (IEC MAP). Hai modul IECGEN và IECMAP luôn đi liền với nhau trong cùng một BAY. Trong mỗi RTU có thể có một hay nhiều cổng truyền thông, phụ thuộc vào cấu hình phần cứng. BAY 2, 3: Quản lý các vỉ vào ra: Analog Input, Digital Output và Digital Input (DI). Trong đó vỉ DI có thể dùng ở dạng Single DI (SDI) hoặc Double DI (DDI). Các thiết bị phụ trợ cho hệ thống SCADA/EMS Nguồn UPS. Tổng quan Hệ thống UPS là hệ thống đảm bảo cấp nguồn liên tục cho hệ thống SCADA tại Trung tâm. Hệ thống bao gồm 2 bộ UPS 911 được đấu song song. Mỗi bộ UPS được nối với 2 tổ ắc quy 220VDC. Khi mất điện lưới, nguồn được cấp từ các tổ ắc quy sẽ qua bộ biến đổi (Inverter) sẽ chuyển từ điện áp 1 chiều thành điện áp 220VAC. Hoạt động trong chế độ vận hành bình thường +Hệ thống UPS trong chế độ vận hành bình thường liên tục cấp nguồn ổn định và liên tục cho hệ thống máy tính chủ tại Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia. - Hoạt động trong chế độ vận hành bằng nguồn Ắc quy khi xảy ra 1 trong các trường hợp sau: + Mất điện lưới. + Có điện lưới nhưng thông số kỹ thuật (điện áp, tần sô) vượt giới hạn cho phép. Cấp nguồn cho tải bằng điện lưới khi xảy ra 1 trong các trường hợp sau: + Điện áp ắc quy thấp. + Chuyển sang chế độ bảo dưỡng. + Hỏng bộ chỉnh lưu (RECTIFIER); bộ biến đổi (INVERTER). + Khi hệ thống UPS bị quá tải. Thông số kỹ thuật cơ bản Số lượng UPS: 02. Công suất 1 UPS: 15KVA. Số lượng tổ ắc quy: 04. Dung lượng ắc quy: 45KVA. Hệ thống bao gồm 2 bộ UPS 911 được đấu song song. Mỗi bộ UPS được nối với 2 tổ ắc quy 220VDC. Hệ thống Máy phát điện - Diesel Tổng quan Máy phát Diesel, cũng được sử dụng làm hệ thống nguồn dự phòng tại A0, sử dụng khi mất nguồn lưới. Đặc điểm kỹ thuật Công suất động cơ Diesel: 30 KVA. Có Máy phát và Ắc quy để khởi động Diesel. Khi mất điện lưới, hệ thống Diesel sẽ tự khởi động để cấp điện cho phụ tải. 3. Hệ thống thông tin liên lạc Tổng quan Hệ thống thông tin liên lạc tại trung tâm bao gồm các thiết bị và kênh truyền đảm bảo thông thoại giữa kỹ sư điều hành HTĐ và các nhân viên trực tại các trạm và các nhà máy điện trong công tác điều hành hệ thống điện. Kênh trực thông Kết nối trực thông (hotline) là kết nối thoại trực tiếp giữa 2 trạm; Người gọi chỉ cần nhấc tổ hợp điện thoại, cuộc gọi sẽ tự động kết nối với đầu xa (địa chỉ đầu xa đã được định trước); Hiện tại có trên 60 kênh trực thông kết nối giữa A0 với các trạm, nhà máy điện, các Trung tâm Điều độ và các Trung tâm Truyền tải. Kênh quay số Kênh quay số để kết nối thuê bao với tổng đài (ngành điện hoặc bưu điện). Việc liên lạc với một thuê bao khác thực hiện bằng quay số điện thoại yêu cầu. Hiện tại tổng đài điều độ cũng có kết nối với một số thuê bao quay số ngành điện và Bưu điện. Kênh bộ đàm Ngoài cách liên lạc qua điện thoại quay số và điện thoại trực thông như đã nêu ở trên, còn sử dụng phương thức liên lạc qua máy bộ đàm (đang sử dụng tại Trung tâm Điều độ HTĐ miền Nam). Đặc điểm của phương thức liên lạc này: +Là hình thức liên lạc vô tuyến, bị hạn chế về cự ly và địa hình; +Là hình thức liên lạc đơn công (tại 1 thời điểm chỉ có thể hoặc nghe hoặc nói); +Hình thức này chỉ áp dụng trong 1 số hoàn cảnh đặc biệt; Tổng đài điều độ (Lineseizer -LSZ) Tổng quan Thay vì đặt nhiều máy điện thoại trên bàn làm việc, LSZ là thiết bị cho phép gom tất cả các kênh liên lạc (không kể kênh bộ đàm) để làm việc trên 03 bàn điều khiển điện thoại (Consol) với 03 điện thoại số và 03 bàn phím. Các tính năng chính của LSZ: +Có thể đảm bảo kết nối trực thông tới nhiều nơi, +Dễ dàng nhận biết chính xác cuộc gọi đến (đặc biệt khi có sự cố xảy ra khi có nhiều cuộc gọi đến). +Dễ dàng thao tác khi thực hiện cuộc gọi đi theo từng địa chỉ. Hiện tại tổng đài có khả năng kết nối với 64 kênh (trực thông và quay số), Tổng đài có khả năng mở rộng kết nối khi có yêu cầu. Các thuê bao nhấc thẳng hoặc quay số từ các hệ thống khác 1 2 .... n ... TỔNG ĐÀI Nguồn UPS Bàn phím 3 Điện thoại 3 Bàn phím 2 Điện thoại 2 Bàn phím 1 Điện thoại 1 Consol 1 Consol 2 Consol 3 Ghi âm (kênh 1) Ghi âm (kênh 2) Ghi âm (kênh 3) Sơ đồ ghép nối LSZ với các kênh liên lạc tại A0 5. Thiết bị Ghi âm Tổng quan Ghi âm các cuộc đàm thoại của KS điều hành với trực ca của nhà máy và trạm điện, nhằm phục vụ cho phân tích các tình huống sự cố trong điều hành HTĐ. Hiện tại Trung tâm đang có 2 thiết bị ghi âm: Thiết bị ghi âm công nghiệp Marathon (thiết bị chính). Thiết bị ghi âm dự phòng là sử dụng card ghép nối kênh và máy tính PC, được vận hành khi thiết bị chính có sự cố. Thiết bị ghi âm công nghiệp Giới thiệu chung Thiết bị ghi âm số MARATHON PRO do hãng ASC Telecom chế tạo là một thiết bị ghi âm hiện đại có 128 đầu vào có thể nối với đường thoại, máy TELEFAX hoặc thiết bị thông tin vô tuyến .. Việc vận hành thiết bị thông qua bàn phím; bóng di định vị trí “mouse” ở mặt trước của thiết bị. Màn hình LCD ở phía trước của thiết bị sẽ hiển thị toàn bộ các thông tin cần thiết cho việc giám sát và vận hành thiết bị. Đặc tính kỹ thuât Có khả năng vận hành liên tục 24/24. Có khả năng ghi âm và giám sát đồng thời 128 cuộc gọi trên các kênh. Có khả năng mở rộng ghép nối (bằng cách thêm card ghép kênh). Có khả năng lưu trữ cao (100.000h). Vừa lưu trữ dữ liệu trên ổ cứng vừa lưu trữ trên băng từ. Có thể giám sát tình trạng của các kênh thông qua màn hình giám sát kênh. Có khả năng tìm kiếm các cuộc gọi đã được ghi âm theo các tiêu chuẩn khác nhau (theo thời gian cuộc gọi, theo số hiệu kênh...). Có khả năng lưu dữ cuộc gọi quan trọng để tiện tra cứu trong những địa chỉ lưu trữ riêng. Thiết bị ghi âm dự phòng (Máy tính + Card Ghi âm + Phần mềm ghi âm) 5.2.1. Giới thiệu chung Hệ thống ghi âm dự phòng sử dụng card ghép kênh cắm trên máy tính PC. Dữ liệu được ghi trực tiếp trên ổ cứng của máy tính. Máy có khả năng ghép nối trực tiếp với kênh truyền hoặc ghép nối với nguồn tín hiệu âm tần. Hệ thống có giao diện tiện lợi cho người sử dụng và cho khả năng khởi động ghi âm theo nhiều cách, ngoài ra còn có nhiểu tiện ích khác trong việc lưu trữ và tìm kiếm cuộc gọi. 5.2.2. Đặc tính kỹ thuật Hiện đang sử dụng 01 Card ghép nối với 08 kênh Analog. Hệ thống có khả năng mở rộng ghép nối. Có khả năng ghi âm đồng thời 32 cuộc thoại trên các kênh. Có khả năng giám sát cuộc gọi đang được ghi âm. Có khả năng khởi động quá trình ghi âm theo giọng nói (Voice), mức điện áp (Ghi âm khi thực hiện nhấc máy), bằng tay (Khi bấm 1 phím trên bàn phím)... Có khả năng tìm kiếm cuộc gọi theo các tiêu chuẩn tìm kiếm khác nhau: theo thời gian, theo số hiệu cuộc gọi ID.... Lưu trữ dữ liệu trên ổ cứng của máy. Hệ thống hoạt động một cách an toàn và tin cậy trong quản lý truy nhập dữ liệu thông qua tên và mật khẩu. 6. Hệ thống đo tần số và giám sát hoà đồng bộ -DHZ. Tổng quan Hệ thống đo tần số được bao gồm thiết bị đo lường đặt tại các nhà máy điện quan trọng của HTĐ và tại phòng điều khiển A0, A1, A2, A3. Các điểm đo tần số bao gồm các nhà máy: Hoà bình, Trị an, Yaly, Phú mỹ, Phả lại, Thác bà và trạm 500 kV Phú lâm. Tại 3 trạm 500kV Hà tĩnh, Đà nẵng và Pleicu còn có các thiết bị giám sát hoà đồng bộ đường dây 500kV. Các số liệu về tần số và hoà đồng bộ được truyền về A0 qua các kênh 4W và Modem, Các giá trị tần số được thể hiện trên màn hình máy tính, Hai tần số của 2 đầu đường dây 500kV (T500 Hoà bình và T500 Phú lâm) còn được thể hiện lên 2 đồng hồ cở lớn tại phòng điều khiển. Các giá trị tần số cũng được truyền tới phòng điều khiển của các Trung tâm điều độ miền (A1, A2, A3). Nguyên lý đo tần số của hệ thống này là đo độ dài chu kỳ tín hiệu bằng nhịp dao động thạch anh, từ đó tính ra tần số. Độ chính xác của phép đo tần số là ± 0,01Hz trên cả dải đo 45,00 đến 55,00Hz Chu kỳ đo và truyền số liệu là 1 sec (có thể điều chỉnh). Display tần số Hoà bình tại A0 Display tần số Phú lâm tại A0 Thiết bị DHZ tại A1 Thiết bi đầu cuối DHZ-1 Cáp 4W Thiết bị DHZ tại A0 Thiết bị DHZ tại A3 Thiết bi đầu cuối DHZ-2 4W 4W 4W 4W Thiết bị DHZ tại A2 Thiết bi đầu cuối DHZ-n Sơ đồ hệ thống DHZ Đo tần qua hệ thống SCADA/EMS Việc sử dụng hệ thống SCADA/EMS để đo tần số HTĐ tại điểm đặt RTU có một số giới hạn sau: Các Transducer tần số trên RTU là dạng analog cho nên dù sau đó có số hoá cũng không vượt qua độ chính xác của Transducer, Độ chính xác của Transducer tần số không đạt yêu cầu đặt ra là 0,01Hz trên cả dải đo Chu kỳ quét của máy tính chủ là vài giây, quá lớn so với yêu cầu. Các Trung tâm điều độ A0, A1, A2, A3 hiện tại không theo dõi tần số HTĐ qua hệ thống SCADA/EMS. Công tác quản lý vận hành Hệ thống đo tần số là do phòng Công Nghệ - Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia thiết kế chế tạo nên công tác kiểm tra, sửa chữa là hoàn toàn làm chủ; Bình thường có thể kiểm tra tình trạng của hệ thống: +Kiểm tra tình trạng hoạt động của hệ thống qua việc giám sát qua giao diện chương trình tần số riêng. +Việc giám sát tình trạng kết nối với đầu xa có thể thực hiện qua các đèn chỉ thị của Modem. Các kênh viễn thông phục vụ kết nối SCADA Kênh kết nối cho Modem 4W Máy chủ SCADA kết nối với thiết bị đầu cuối (RTU) được thực hiện qua kênh 4W và Modem âm tần. Đặc tính kênh như sau: Kênh 4W âm tần (analog); Trở kháng đường dây 600W; Băng thông 300Hz đến 3400Hz; Đáp ứng khuyến nghị G.712; Kênh kết nối ICCP Các số liệu ICCP (Inter Control Center Protocol) được gửi từ các hệ thống SCADA/EMS tại A1, A2, A3 về A0. Kênh truyền ICCP là luồng E1 nối A0- A2-A3 và kênh dự phòng của EVNTel. Do A0 và A1 do nằm cạnh nhau nên sử dụng cáp. Sơ đồ đấu nối như sau: Máy chủ ICCP A0 Mạng LAN hệ SCADA/EMS A0 Router A0 Cáp đi Router A1 MUX A0 Luồng E1 đi A2, A3