Đồ án hệ thống điện
Mục lục
Lời mở đầu
Hệ thống điện lực ngày nay bao gồm các nhà máy điện, hệ thống truyền
tải, phân phối và sử dụng điện là các phần tử có mối liên hệ chặt chẽ với nhau
thành một thể hữu cơ thống nhất. Việc phá vỡ mối liên hệ này gây những hậu
quả nặng nề cho toàn bộ hệ thống nói riêng cũng như nền kinh tế nói chung.
Việc đảm bảo chất lượng điện năng cũng như sản phẩm đầu ra của hệ
thống phức tạp như vậy đò hỏi mạng lưới vận hành phải có mức độ tương ứng
với sự trợ giúp của các thiết bị tự động, thiết bị truyền tin và điều khiển từ xa.
Đồng thời trong quá trình điều khiển, giám sát, thu thập dữ liệu tại các
trạm điện giúp cho việc chỉ huy điều hành hệ thống sản xuất, truyền tải, phân
phối điện năng và phục vụ cho các bộ phận kinh doanh (lập kế hoạch, thanh
toán hoá đơn, thương mại) có vai trò cơ bản trong hệ thống quản lý năng lượng,
EMS (Energy Management System) mà tiêu biểu là hệ thống SCADA
(Supervisory Control and Data Acquisition).
Đề tài gồm 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu thiết bị của hệ SCADA
Chương 2: Hệ thống EMP
Chương 3: Cấu hình thiết bị của hệ SCADA
Chương 4: Vận hành hệ SCADA
Chương 5: Kết luận
Do kiến thức bản thân còn hạn chế cộng với thời gian có hạn và việc
tìm tài liệu khó khăn nên không thể tránh khỏi những thiết sót. Mong các thầy
và các bạn sinh viên đóng góp thêm để đề tài được phát triển sau này.
Cần Thơ, ngày tháng năm 2014
Sinh viên thực hiện
Võ Hoàng Khánh
6.Khái quát quá trình hoạt động của các module giao tiếp thiết bị: 17
6.1Các đầu vào số: 17
6.2Quá trình điều khiển: 22
6.3Các đo lường tương tự: 26
Đồ án hệ thống điện
Mục lục
6.4Đầu ra tương tự (Analogue Setpoints): 28
6.5Các đầu vào đếm (counter input): 29
6.6Sự đồng bộ thời gian (Time Synchronisation): 30
7.Truyền thông: 30
7.1IEC 870 – 5 – 101: 31
7.2FieldNet: 39
8.Cấu hình Transducer: 39
8.1Transducer điện áp: 39
8.2Transducer vị trí nấc phân áp: 40
8.3Transducer công suất tác dụng và công suất phản kháng: 40
Chương 2 43
Cấu hình thiết bị SCADA 43
1.Cấu hình truyền thông cho RTU: 43
2.Chọn loại và số lượng card giao tiếp: 43
3.Bố trí thiết bị RTU: 44
4.Cấu hình các thông số chính cho từng loại card: 44
5.Tính toán cấu hình Transducer TRIAD: 49
Chương 3 52
HỆ THỐNG EMP 52
1.TỔNG QUAN VỀ EMP 52
1.1Giới thiệu 52
7.2Máy tính điều khiển lập trình logic (PLC) 74
7.3Trending and strip chart recorders driver 74
7.4Nhật ký (Logman) 74
8.Lập trình trong HABITAT 74
8.1Các lớp tiện ích cho người lập trình và các ứng dụng 74
8.2Chương trình ứng dụng HABITAT. 74
8.3Mô hình tiến trình động Portable Process Model (PPM) 75
8.4Các tiện ích hỗ trợ cho việc lập trình. 75
9.Hệ thống con SCADA: 76
9.1Quản lý cơ sở dữ liệu SCADA: 76
9.2Giao diện người sử dụng SCADA: 77
9.3Thu thập dữ liệu SCADA: 78
9.4Giám sát thời gian thực: 80
9.5Điều khiển giám sát: 83
9.6Các chức năng SCADA hỗn tạp: 84
Chương 4 86
Đồ án hệ thống điện
Mục lục
Vận hành hệ thống SCADA 86
1.Hệ thống phần cứng SCADA: 86
2.Chức năng phần mềm SCADA: 86
2.1Thu thập dữ liệu: 86
2.2Điều khiển giám sát: 87
2.3Điều khiển hệ thống: 87
3.Các display về trạm: sơ đồ một sợi và bảng 89
4.Quá trình thu thập và xử lý dữ liệu cua hệ SCADA tại trạm: 94
4.1Nguồn gốc dữ liệu 95
Giới thiệu thiết bị SCADA
1. Tổng quan về RTU:
RTU Xcell là một công nghệ RTU theo kiểu khối, được thiết kế chuyên dụng cho
công nghiệp điện năng. Cách tiếp cận theo kiểu module của nó cho phép các hệ thống
phức tạp được xây dựng dễ dàng từ các ô (cell) tiêu chuẩn.
Hình 1.1: Một RTU tiêu biểu
Công nghệ Xcell cung cấp cho người sử dụng 6 mức độ độc lập nhau cho việc
thiết kế các hệ thống tự động. Đó là:
1) Đơn giản sử dụng, bảo trì và mở rộng.
2) Một họ RTU gắn với các ứng dụng.
3) Phần mềm linh hoạt cho phép thực hiện các chức năng với cuing phần
cứng.
4) Hệ thống mở: tích hợp các loại thiết bị khác nhau,gắn vào tất cả các hệ
thống SCADA.
5) Các ứng dụng phức tạp cho tương lai.
6) Các chi phí vận hành thấp nhất.
2. Cấu trúc XCELL RTU:
2.1 Giới thiệu tổng quan:
Trang 7
Đồ án hệ thống điện Chương 1
XCell RTU được dựa trên kiến trúc XCell mạnh và tiên tiến. Đây là một
kiến trúc linh hoạt và theo kiểu module được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu ở
hiện tại và trong tương lai. Dùng các phương pháp đa bộ xử lí, RTU này thực
hiện các chức năng của nó với độ sẵn sàng cao và có hiệu lực cao và khả năng
đáp ứng hầu hết các yêu cầu tại công trường. Nó được gắn trên giá 19'' (rack),
được thiết kế bằng các bộ phận điện tử chuẩn và được chế tạo theo các tiêu chuẩn
ISO 9002.
2.2 Đơn vị CELL căn bản:
RTU được xây dựng dựa trên một khái niệm theo kiểu khối (cellular,
modular) bao gồm một hay nhiều Khối (Cell) hợp thành. Một Cell có thể chỉ có
Trên cơ sở này nhiều chức năng phức tạp đã được hình thành. Các thuật
toán xử lí chuẩn được cung cấp đối với các loại tín hiệu chuẩn như là: các đầu
vào số đơn (1 bít), các tín hiệu đầu vào số kép (2 bít), v.v Mỗi loại tín hiệu này
có một số các thông số cần thiết như: đảo trạng thái, thời gian lọc (filter time),
tham số tỷ lệ (scaling parameter),. v.v… Các thông số này có thể được cấu hình
cho từng tín hiệu bằng phần mềm eXpert chạy trên hệ điều hành WinNT.
Đối với các hệ thống tiên tiến hơn, RTU cung cấp việc lập trình ứng dụng
trong một môi trường đồ hoạ. Và cho phép các ứng dụng được phát triển trong
bất kì 5 môi trường lập trình: Ladder Diagrams, Sequential Function Charts,
Function Block Diagrams, Structured Text và Intruction List. Chức năng này tuân
theo tiêu chuẩn phát triển ứng dụng IEC 1131, cho phép người dùng xây dựng
nên một RTU hoàn toàn thoả mãn các yêu cầu của trạm nhờ vào phần mềm
eXpress.
2.5 Tính toàn vẹn hệ thống:
Bởi vì RTU trở thành một phần căn bản của các quá trình hoạt động hệ
thống cho nên tính sẵn sàng của RTU được đặt lên mức độ quan trọng hàng đầu.
Đó là tiêu chí để thiết kế XCell RTU. Với lý do đó mà các phần tử quan trọng
luôn có dự phòng để cung cấp mức độ sẵn sàng cao nhất có thể có được. Các
phần tử quan trọng bao gồm:
• Truyền thông FieldNet dự phòng giữa các cell.
• Nguồn cung cấp DC kép cho mỗi cell.
• Mỗi module xử lí XCell có riêng bộ chuyển đổi DC-DC để phát các
mức điện áp yêu cầu cho việc dùng bên trong cell đó. Điều này đảm
bảo sự làm việc việc độc lập và cách ly giữa các Cell.
• Có thể dùng nhiều bộ xử lí kết nối với Trung tâm điều khiển.
• Lỗi của một cell được khoanh vùng và chỉ mất các chức năng của Cell
đó mà thôi.
• Các chương trình ứng dụng có thể được nhân đôi trong nhiều cell để
đảm bảo tính vẹn toàn và tín sẵn sàng của RTU.
• Các bít kiểm tra tính nguyên vẹn dữ liệu được gán cho tất cả các dữ
với số hàng kẹp giao diện, số hàng kẹp giao tiếp này quyết định chính đến kích
thước vật lí của RTU.
3. Các cấu hình truyền thông RTU:
3.1 Giới thiệu
Xcell RTU có thể cung cấp nhiều cấu hình truyền thông theo các yêu cầu
thực tế. Cụ thể, có thể chọn một trong các cấu hình sau:
RTU kết nối truyền thông kép (dual communications):
Trang 11
Đồ án hệ thống điện Chương 1
Hình 1.5: Truyền thông kép đến các Trung tâm Điều độ
RTU truyền thông dự phòng (redundant communications):
Các module bộ xử lí này có bộ nhớ mở rộng để lưu trữ nhiều dữ liệu,
phù hợp với giao thức truyền thông và đồng thời hỗ trợ xử lý cho các
module Vào/Ra.
Hình 1.6: Kết nối dự phòng với Trung tâm Điều độ
Các RTU truyền thông chuẩn (standard communications):
Module bộ xử lí này có bộ nhớ mở rộng để lưu trữ nhiều dữ liệu, phù
hợp với giao thức truyền thông và đồng thời hổ trợ xử lý cho các module
Vào/Ra.
Trang 12
Đồ án hệ thống điện Chương 1
Hình 1.7: Kết nối chuẩn
3.2 Các công cụ:
Thành phần Mô tả
Expert-010 Phần mềm cấu hình cơ sở dữ liệu.
Explore-010 Phần mềm các chuẩn đoán
Express-010 Công cụ lập trình ứng dụng với 5 ngôn ngữ lập trình IEC
1131
SIM-010 Thiết bị mô phỏng dữ liệu Vào/Ra (I/O) với các dây nối bên
trong.
M X P - 0 1 0
C P R - 0 2 1
S e r i a l
I n t e r f a c e
F r o n t
P a n e l
I n t e r f a c e
B a c k p l a n e
I n t e r f a c e
N e t w o r k
I n t e r f a c e
P r o c e s s o r
6 8 E C 0 0 0
R P I G
E P R O M
a n d R A M
A d d i t i o n a l
E P R O M
a n d R A M
E R M - 0 1 4
A d d r e s s ,
D e c o d i n g ,
I n t e r r u p t
M a n a g e m e n t
F a u l t R e l a y
( W a t c h d o g )
I s o l a t i n g
D C / D C C o n v e r t e r
Đồ án hệ thống điện Chương 1
5.2 Module đầu vào số 32 kênh - HDI-040:
16 Similar
Channels
4 Similar Groups of
16 Channels
E X T D C -
E X T D C +
E X T D C -
E X T D C +
T o N e x t
G r o u p
T o N e x t
G r o u p
Đồ án hệ thống điện Chương 1
• Mỗi kênh có một cặp tiếp điểm thường mở.
• Tín hiệu ra dạng xung hoặc được chốt (latched output)
• Chức năng điều khiển ở đầu ra: lựa chọn - kiểm tra - thực hiện.
• 2 mức kiểm tra ngăn chặn trong phần cứng của đầu ra điều khiển.
• Một rơle ở kênh đầu ra.
HDO-030/040 là một module đầu ra 32 kênh với một công tắc đơn trên mỗi
kênh và được thiết kế để hoạt động với điện áp cung cấp danh nghĩa giữa 20 và
60V. Module có thể cho phép chỉ một kênh được hoạt động tại một thời điểm
hoặc cho phép nhiều tín hiệu ra được chốt.
Điện áp để các rơle bên trong module làm việc được cấp từ đầu nối DB37. Các
mạch logic điều khiển của module được cấp nguồn từ module xử lí CPR thông
qua backplane.
.
Hình 1.10: HDO- 040 và sơ đồ nguyên lý
5.4 Module đầu vào tương tự HAI-030:
• 32 kênh đầu vào tương tự.
C h 1 -
C h 2 +
C h 2 -
C h 3 2 +
C h 3 2 -
P l a n t I n t e r f a c e
Đồ án hệ thống điện Chương 1
cung cấp điện áp này hoặc đưa ra một công tắc không điện (dry contact) và
điện áp này được cung cấp từ RTU.
Nếu thiết bị trạm cung cấp điện áp thì điện áp này nối trực tiếp với
module đầu vào số như hình 13:
Hình 1.12: HDI dùng điện áp 48VDC từ thiết bị trạm
Trường hợp thiết bị trạm đưa ra một công tắc không điện thì HDI
được nối như hình 14:
Trang 18
Đồ án hệ thống điện Chương 1
Hình 1.13: HDI dùng điện áp 48VDC từ RTU
Trên hàng kẹp đấu nối tủ RTU, một điểm đầu nối, kí hiệu dấu +, sẽ
được kết nối với nguồn +48V DC. Dương nguồn này được chuyển mạch
đến âm nguồn, ở một điểm đấu nối khác, kí hiệu dấu -, và như thế ta nhận
được một kênh đến kênh đầu vào số.
Còn trên bộ kết nối (connector) của module đầu vào số, một phía của
các kênh đầu vào được kết nối cùng nhau và nối với âm nguồn -48V DC,
phía còn lại sẽ nhận điện áp chuyển mạch (dương nguồn) từ các thiết bị
trạm.
6.1.2. Quá trình xử lí đầu vào số:
Tất cả sự thay đổi trạng thái đều được in dấu thời gian ngay lập tức
với độ phân giải 1msec tuỳ thuộc vào việc phát hiện sự thay đổi đó. Bởi vì
bộ xử lí giao tiếp với 128 đầu vào vật lí (với CPR-021), 256 đầu vào vật lí
(với CPR-02x/CPR-03x cao hơn) cho nên có thể in dấu thời gian cho tất cả
Thời gian lọc trạng thái hợp lệ - Valid State Filter Time (0 - 60secs)
và thời gian lọc trạng thái không hợp lệ - Invalid State Filter
Time (0 – 60secs), hai thông số này được cấu hình cho từng tín
hiệu kép. Các thông số thời gian này là những thời gian mà trạng
thái vào của các kênh đơn phải hợp lệ (01 hoặc 10) hoặc không
hợp lệ (00 hoặc 11) trước khi sự chuyển trạng thái được cho là
hợp lệ và được hệ thống xử lý tiếp.
Sự đảo trạng thái (Inversion) được được cấu hình cho từng kênh và
đảo giá trị bit đầu vào trước khi được hệ thống xử lý tiếp.
Loại bỏ bằng tay (Manual Suppression) được kích hoạt nghĩa là
không đưa kênh tín hiệu vào làm việc và chặn tất cả các thay đổi
trạng thái trên kênh đó.
Loại bỏ tự động (Automatic Suppression) ngăn chặn một cách tự
động bất kì thay đổi trạng thái nào nếu số thay đổi được phát
Trang 20
Đồ án hệ thống điện Chương 1
hiện ra vượt quá giá trị giới hạn trong một khoảng thời gian định
trước.
6.1.5. Việc loại bỏ tự động của các đầu vào số:
Việc loại bỏ tự động là một đặc điểm tự điều chỉnh: phát hiện số sự
kiện của các kênh đầu vào vượt quá mức giới hạn trong một khoảng thời
gian nhất định và ngăn chặn những kênh “có vấn đề” từ cho đến khi thời
điểm các kênh này ổn định trở lại. Thông số này nhằm ngăn chặn các chỉ thị
sai mà xuất hiện liên tục và ngăn ngừa để chúng khỏi tạo ra các dữ kiện
vượt quá số dữ kiện có nghĩa.
Số sự kiện (1-64) và giới hạn thời gian mà sự kiện xảy ra (1-30 secs)
trước khi điểm đo bị ngăn chặn có thể được cấu hình trên cơ sở một hệ
thống. Ngoài ra cấu hình trên cơ sở một hệ thống là chu kì (1-30mins) mà
trong suốt chu kì đó điểm đo phải ổn định trước khi điểm đó không được
loại bỏ và việc báo cáo của các sự kiện lại được kích hoạt.
lập.
• Thời gian hợp lệ (0-60secs) có thể được thiết lập cấu hình đối với
mỗi đầu vào BCD cho việc xác nhận tính hợp lệ các chỉ đầu vào
BCD vững. Như một sự lựa chọn, một tín hiệu hợp lệ có thể
được sử dụng để xác định khi nào giá trị BCD là hợp lệ. Vào lúc
chuyển tiếp của tín hiệu hợp lệ thì giá trị BCD được đọc và được
ghi lại.
• Việc chuyển từ 0 sang 1 hoặc 1 sang 0 của đầu vào hợp lệ có thể
được lựa chọn cho việc đọc các đầu vào BCD.
6.2 Quá trình điều khiển:
6.2.1. Việc kết nối thiết bị:
Nguồn cung cấp 48V DC +/-25% (tức là 36-60V DC) cấp cho các rơle
trên module đầu ra số. Nguồn này phải được nối từ điện áp cung cấp cho
RTU bằng connector ở phía trước module đầu ra số.
Module đầu ra số đưa ra một cặp tiếp điểm không điện (dry contact, a
volt free contact) cho mỗi kênh. Thiết bị trạm có thể dùng cặp tiếp điểm
không điện này hoặc cần một điện áp ra và RTU phải cung cấp điện áp đó.
Nếu thiết bị trạm dùng cặp tiếp điển không điện cho mỗi kênh thì có
thể được kết nối trực tiếp với module đầu ra số như hình sau:
Trang 22
Đồ án hệ thống điện Chương 1
Hình 1.15: HD0 dùng điện áp 48VDC từ thiết bị ngoài
Trường hợp thiết bị trạm yêu cầu đầu ra một điện áp cho mỗi kênh thì
việc kết nối RTU có một chút phức tạp và được trình bày như hình sau:
Trang 23
Đồ án hệ thống điện Chương 1
Hình 1.16: HD0 dùng điện áp 48VDC từ RTU
6.2.1. Quá trình xử lí đầu ra số:
RTU hỗ trợ cho một số loại đầu ra và một số giao thức. Chúng được
chia làm 2 loại, các đầu ra điều khiển (Control Ouputs) và các đầu ra không
tâm điều khiển yêu cầu một đầu ra nhất định được điều
khiển với thời gian xung ngắn “Short Pulse”.
Độ rộng xung có thể được cấu hình cho từng kênh đầu ra
cụ thể và lệnh được gửi từ Trung tâm điều khiển có thể chỉ
rõ việc sử dụng độ rông xung của kênh này trong khoảng
kích xung.
Tất cả đầu ra điều khiển được hoạt động với quá trình hoạt động 3
bước. Điều này có nghĩa rằng có 3 mẫu tin riêng biệt được phát trong trình
tự điều khiển đến bộ điều khiển đầu ra thật sự để làm hoạt động một đầu ra.
Ba bước đó là chọn lựa (Selection), xác định (Arm) và thực hiện (Execute).
Mỗi bước của trình tự điều khiển phải nhận được một phản hồi xác thực
(positive) từ bộ điều khiển đầu ra thực tế trước khi bắt đầu bước tiếp theo.
Chỉ khi cả 3 bước được hoàn tất và dữ liệu đã chứa trong mỗi giai đoạn là
nhất quán thì đầu ra mới được kích hoạt thật sự. Bất cứ sự không nhất quán
nào trong các giai đoạn sẽ đưa đến kết quả là trình tự điều khiển sẽ bị hủy
(aborted) và bị xóa (cleared down). Tại mỗi bước có một thời khoảng
Timeout được khở tạo bởi cả giao diện của giao thức và bộ kích đầu ra. Nếu
không nhận được một phản hồi trong khoảng thời gian Timeout thì phản
phản hồi đó được coi là không xác thực (negative) và trình tự điều khiển sẽ
bị hủy bỏ (aborted) và bị xóa (cleared down).
Trang 25
Copyright: Tài liệu đại học ©