BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-----------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG SCADA
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 004233C79

TẠ THỊ YẾN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS VÕ MINH CHÍNH

HÀ NỘI - 2009


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các thuật ngữ
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP

I. Tổng quan về hệ thống SCADA trong công nghiệp
1.1. Định nghĩa

2.1. Khái niệm chung về hệ SCADA trong hệ thống điện

22

2.2. Mạng thông tin điện lực

25

2.2.1. Đặc điểm của mạng thông tin trong hệ thống điện

25

2.2.2. Kênh thông tin liên lạc trong hệ thống điện

25

2.2.3. Cấu trúc các kênh thông tin liên lạc trong hệ thống SCADA

30

2.2.4. Các chuẩn thông tin liên lạc trong hệ thống điện

34

2.3. Các chức năng của hệ thống SCADA trong hệ thống điện

39

2.3.1. Chức năng thu thập dữ liệu (Data Acquisition)



3.1. Phần cứng trung tâm (Master Station Hardware)

50

3.1.1. Máy tính chủ (Server)

50

3.1.2. Các trạm công tác (Workstation)

51

3.1.3. Thiết bị tiền xử lý (Front-end processor)

51

3.1.4. Mạng nội bộ (Local Area Network)

52

3.4.5. Router

52

3.2. Thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit)

53

3.2.1. Cấu tạo chung của RTU


4.3.1. Hệ thống SCADA/EMS tại các trung tâm điều độ

64

4.3.2. Hệ thống tự động hóa trạm biến áp

66

4.4. Công tác điều hành và thực trạng lưới điện thuộc công ty truyền tải
điện 1 quản lý

68


4.4.1. Công tác điều hành lưới điện

68

4.4.2. Thực trạng lưới điện thuộc công ty truyền tải điện 1 quản lý

69

Kết luận
CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA TRẠM BIẾN
ÁP 220KV SÓC SƠN

5.1. Giới thiệu về trạm 220kV Sóc Sơn và nhiệm vụ của SCADA trạm

72


89

5.3.1. Sơ đồ tổng thể trạm

91

5.3.2. Quá trình thu thập tín hiệu Digital, Analog

93

5.4. Thiết kế phần cứng trung tâm

113

5.5. Thiết kế phần mềm SCADA

110

Kết luận
KẾT LUẬN CHUNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


1

CHNG 1
TNG QUAN V H THNG SCADA TRONG CễNG NGHIP
1.1. TNG QUAN V H THNG SCADA TRONG CễNG NGHIP

SCADA thực hiện một trong số những nhiệm vụ sau:
- Thu-thập giám sát từ xa về đối tợng.
- Điều khiển đóng cắt từ xa lên đối tợng.
- Điều chỉnh tự động từ xa lên đối tợng.
- Thông tin từ xa với các đối tợng và với cấp quản lý.
Các chức năng đó mỗi thứ đều có yêu cầu đặc biệt đối với các bộ phận
phần cứng, phần mềm, phần chuyên trách của SCADA, cụ thể là:
- Phần đo-giám sát xa cần bảo đảm thu thập, lu giữ, hiển thị, in ấn đủ
những số liệu cần cho quản lý kỹ thuật.
- Phần điều khiển thao tác xa cần phải bảo đảm đợc việc kiểm tra đóng mở
an toàn, đúng đắn. Bên cạnh đó SCADA phải có đóng mở bằng tay.
- Phần điều chỉnh tự động từ xa cần phân định và quy định trong nhiệm vụ
điều chỉnh hệ SCADA phải đảm nhiệm đến đâu.
- Phần truyền tin xa phải quy định rõ các nhiệm vụ truyền số liệu hiện
trờng và nhất là các nhiệm vụ thủ tục truyền số liệu với các SCADA cấp
trên.
Ngày nay, nhiều ngành công nghiệp, giao thông, quân sự... đã áp dụng
những mạng quy mô lớn nh SCADA (Supervisory Control And Data
Acquisition), CAN (Controller Area Network), FIP (Factory instrument
Protocols) vào việc xử lý, tính toán, kiểm tra và điều khiển. Đó là những hệ
quản lý, giám sát quy mô lớn đáp ứng những yêu cầu đa dạng và phức tạp
khác nhau trong tích hợp hệ thống. Hệ SCADA cho phép mô phỏng hệ thống
thực trên máy tính để quan sát trạng thái hiện thời của hệ thống, đồng thời ghi


3

lại các thông tin về hoạt động của hệ thống. Nhờ vậy ngời vận hành có thể dễ
dàng xác định đợc vị trí xảy ra sự cố. Không những thế các hệ SCADA hiện
đại còn có khả năng chuẩn đoán đợc sự cố và cách khắc phục dựa trên các số

- Phơng pháp thứ hai sử dụng những công cụ phần mềm chuyên dụng cho hệ
SCADA. Phơng pháp này thể hiện tính u việt ở ngay tính chuyên dụng của
nó. Các công cụ này có sẵn th viện thành phần cho việc xây dựng giao diện
ngời-máy(HMI), cũng nh các phần mềm kết nối với các thiết bị cung cấp dữ
liệu thông dụng. Để đơn giản hoá việc tạo dựng, xu hớng hiện nay là kết hợp
phơng pháp lập trình trực quan với ngôn ngữ script thông dụng (tơng tự việc
soạn thảo văn bản). Đi xa hơn nữa, một số công cụ cho phép ta sử dụng các
biểu tợng, ký hiệu đồ hoạ để xây dựng giao diện ngời-máy, đồng thời biểu
diễn sự liên quan logic giữa các thành phần của chơng trình dới dạng các
khối chức năng.
1.1.4. Cu trỳc h SCADA
Mô hình phân cấp chức năng

Hình 1.1. Mô hình phân cấp chức năng


5

Một hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ nói chung thờng đợc
cấu trúc theo mô hình phân cấp hình chóp. Theo mô hình này, các chức năng
đợc phân thành nhiều cấp khác nhau, từ dới lên trên. Càng ở những cấp dới
thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn, đòi hỏi yêu cầu cao hơn về
độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên đợc thực hiện
dựa trên các chức năng ở cấp dới, có lợng thông tin cần trao đổi và xử lý lớn
hơn nhiều. Thông thờng, ngời ta chỉ coi 3 cấp dới thuộc phạm vi của một
hệ thống điều khiển giám sát.
-

Cấp chấp hành (cấp thiết bị): Chức năng chính của cấp chấp hành là đo


tính thông thờng (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, terminal...) có giao
diện mạng gọi chung là máy tính điều hành.
Việc phân cấp chức năng nh trên sẽ rất tiện lợi khi thiết kế hệ thống và
lựa chọn thiết bị. Theo đó các nhà sản xuất cũng đa ra kiến trúc các tầng
mạng thích hợp với đặc thù trao đổi thông tin của từng cấp.
1.1.5. ng dng ca h thng SCADA
a) ng dng ca h thng SCADA
H thng SCADA c ng dng rng rói trong cụng nghip do kh
nng thu thp d liu thun tin, giỏm sỏt, iu khin v qun lý hot ng
ca h thng mt cỏch hiu qu. Ngy nay cỏc h thng SCADA c ng
dng trong hu ht cỏc ngnh cụng nghip theo hng chuyờn bit húa cho
tng ngnh c th nh:
- SCADA cho nh mỏy giy.
- SCADA cho nh mỏy xi mng.
- SCADA cho nh mỏy lc du v h thng kho cha (ng ng dn, h
thng phõn phi du, khớ).
- SCADA cho dn khoan du.
- SCADA cho h thng cp thoỏt nc.
- SCADA in lc (mng phõn phi v truyn ti in).
- SCADA cho nh mỏy sn xut ung.
- SCADA cho nh mỏy sn xut húa cht, dc.
Thụng thng mt h thng SCADA c xp loi lm nhiu cp phc
tp ph thuc vo s lng cỏc im o v s lng cỏc im iu khin. Vi
h c nh v trung bỡnh thi cú khong t 50, 500 hay n 1000 im o. Cỏc
h ln cú ti 2000 n 5000 im hoc hn na.


7

Để đánh giá một giải pháp SCADA cần đặc biệt chú ý đến các vấn đề sau:


CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ĐỂ XÂY DỰNG HỆ
ĐIỀU KHIỂN
Có nhiều phương pháp truyền thông trong hệ thống SCADA, đây là

phần quan trọng trong hệ thống, nó góp phần kết nối các phần tử trong hệ
thống lại với nhau. Để có được cái nhìn tổng quan về phương thức truyền
thông ta tìm hiểu các phần sau:
1.2.1. Chế độ truyền tải
Chế độ truyền tải được hiểu là phương thức các bit dữ liệu được chuyển
giữa các đối tượng truyền thông gồm:
- Truyền song song hay nối tiếp.
- Truyền đồng bộ hay không đồng bộ.
- Truyền 1 chiều (simplex), hai chiều toàn phần (duplex, full-duplex) hay
hai chiều gián đoạn (half – duplex).
- Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng.
1.2.1.1. Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp
Truyền bit song song:
Phương pháp truyền bit song song được dùng phổ biến trong các bus
nội bộ của máy tính. Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số kênh dẫn hay chính là
độ rộng của một bus song song. Việc nhiều bit được truyền đi đồng thời gây
trở ngại lớn khi khoảng cách giữa các đối tác truyền thông tăng lên vì khó
đồng bộ giữa bên thu và bên phát. Chính vì vậy phạm vi ứng dụng của
phương pháp truyền này chỉ hạn chế ở khoảng cách nhỏ, có yêu cầu cao về
thời gian và tốc độ truyền.
Truyền bit nối tiếp:
Với phương pháp này, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua
một đường truyền duy nhất. Tốc độ bit vì thế bị hạn chế nhưng cách thực hiện



Bộ thu

Hình 1.2. Truyền một chiều, hai chiều gián đoạn và hai chiều toàn phần
Truyền một chiều:
Trong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ được chuyển đi theo một
chiều, một trạm chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên
nhận thông tin (receiver) trong suốt quá trình giao tiếp.
Truyền hai chiều gián đoạn:
Chế độ truyền 2 chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi
hoặc nhận thông tin nhưng không cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao
đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý. Một ưu
điểm của chế độ này là không đòi hỏi cấu hình hệ thống phức tạp lắm, trong
khi có thể đạt được tốc độ truyền tương đối cao.
Truyền hai chiều toàn phần:


10

Với chế độ truyền hai chiều toàn phần, mỗi trạm đều có thể gửi hoặc
nhận thông tin cùng một lúc. Thực chất chế độ này chỉ khác với chế độ truyền
hai chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai chiều truyền riêng biệt cho thu và
phát, tức là khác ở cấu hình hệ thống truyền thông.
1.2.1.4. Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng
Truyền tải dải cơ sở:
Một tín hiệu hiệu mang một nguồn thông tin có thể biểu diễn bằng tổng
của nhiều dao động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp được gọi
là dải tần cơ sở hay dải hẹp. Tín hiệu được truyền đi cũng chính là tín hiệu
được tạo ra sau khi mã hóa bit nên có tần số cố định hoặc nằm trong một
khoảng hẹp nào đó, tùy thuộc vào phương pháp mã hóa bit. Đường truyền chỉ
có thể mang một kênh thông tin duy nhất, mọi thành viên trong mạng phải

nghiệp.
1.2.1.5. Đường truyền vật lý
Mạng máy tính – mạng công nghiệp là phương pháp tổ chức một tập
hợp các máy tính, các thiết bị tự động hóa được nối với nhau bởi các đường
truyền vật lý theo một cấu trúc nào đó.
Đường truyền vật lý dùng để truyền các tín hiệu điện giữa các máy tính,
giữa cá thiết bị tự động hóa hay giữa các thiết bị trong mạng với nhau. Các tín
hiệu điện đó biểu diễn các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân (onoff). Tất cả các tín hiệu được truyền đều thuộc một dạng sóng điện từ nào đó.
Mỗi loại sóng điện từ có những thiết bị phương tiện truyền dẫn riêng.
Khi xem xét lựa chọn đường truyền vật lý cần chú ý tới các đặc trưng
cơ bản: Dải thông (band width), độ suy giảm và nhiễu.
Dải thông của một đường truyền chính là phạm vi tần số mà nó có thể
đáp ứng được (dải thông của cáp truyền phụ thuộc vào độ dài cáp. Cáp ngắn
nói chung có dải thông lớn hơn so với cáp dài. Bởi vậy khi thiết kế cáp cho


12

mạng phải chỉ rõ độ dài chạy cáp tối đa vì ngoài giới hạn đó chất lượng truyền
tín hiệu không còn được đảm bảo).
Độ suy giảm là độ đo sự yếu đi của tín hiệu trên đường truyền. Nó cũng
phụ thuộc vào độ dài cáp.
Nhiễu: gây bởi điện từ bên ngoài làm ảnh hưởng đến tín hiệu trên
đường truyền.
1.2.2. Cấu trúc của mạng (Topology)
Kiến trúc mạng (Network Architecture) thể hiện cách các máy tính, các
thiết bị tự động nối với nhau ra sao và tập hợp các quy tắc, các quy ước mà tất
cả các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo
cho mạng hệ thống tốt. Cách nối này gọi là cấu trúc (Topology) của mạng
(gọi là tôpô của mạng).

Hiện nay các hệ thống SCADA/EMS của trung tâm điều độ HTĐ Quốc
gia (A0), HTĐ miền Bắc (A1), HTĐ miền Nam (A2), HTĐ miền Trung (A3)
đang thực hiện cấu trúc point – to – multipoint nếu xem xét kết nối giữa máy
tính đầu cuối của các Trung tâm điều độ với các RTU tại các trạm T500,
T220, T110, T66 … Tương tự như vậy, các hệ thống MiniSCADA
(SCADA/DMS) của điện lực một số tỉnh, thành phố như Hà Nội, TP Hồ Chí
Minh, Đà Nẵng, Nha Trang … cũng đang thực hiện cấu trúc point – to –
multipoint. Nếu xem xét kết nối giữa máy tính đầu cuối của các Trung tâm
điều độ điện lực tỉnh với các RTU tại các trạm T35, T22, T6 …
Tương ứng với các dạng liên kết, có các dạng cấu trúc mạng cơ bản như sau:
1.2.2.1. Cấu trúc bus
Cấu trúc kiểu đường thẳng là kiểu cấu trúc đơn giản nhất, cấu trúc này
còn có tên là cấu trúc kiểu đường dẫn (bus structure), mặc dù không phải
đường dẫn nào cũng là cấu trúc đường thẳng. Tất cả các thành viên trong
mạng đều phải có một điểm ghép nối vào mạng. Nó có thể nối thông qua một
đường dẫn ngắn để đến điểm dẫn chính. Trong mạng này, nguyên tắc truyền
thông được thực hiện như sau: Ở tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành


14

viên trong mạng được truyền dữ liệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền
nhận, tín hiệu được truyền cả hai chiều của bus. Đối với các bus một chiều thì
tín hiệu chỉ đi về một phía. Lúc đó các Teminator (thiết bị đầu cuối) phải
được thiết kế sao cho các tín hiệu phải được dội lại trên bus để có thể đến
được các thành viên trong mạng. Điều này là cần thiết để tránh các xung đột
trên đường dẫn. Đây chính là các phương pháp truyền thông kiểu bus. Phương
pháp này cũng được sử dụng cho cấu trúc mạng tiếp theo.
Trong dạng bus tất cả các thành viên phân chia chung một đường
truyền chính (bus). Đường truyền chính này được giới hạn bởi một loại đầu

Cấu trúc này sử dụng phương pháp truyền thông kiểu bus. Cấu trúc vòng
được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến
điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Ưu điểm cơ bản
của mạng cấu trúc theo kiểu này là mỗi một nút đồng thời có thể là một bộ
khuyếch đại, do vậy khi thiết kế mạng theo kiểu cấu trúc vòng có thể được
thực hiện với khoảng cách rất lớn


16

Station

Station

Repeator
Station
R

R

Hỡnh 1.6. Cu trỳc dng mch vũng
Nu cú mt thnh viờn trong mng b hng thỡ vn phi gii quyt
ln hn rt nhiu so vi mng cu trỳc theo kiu ng thng vỡ khụng th
tip tc quỏ trỡnh truyn thụng trong mng c. Cu trỳc vũng cú tớnh cht
rt ging vi cu trỳc ng thng.
1.2.2.3. Cu trỳc hỡnh cõy
Cấu trúc này là sự liên kết các cấu trúc đờng thẳng có độ dài khác
nhau với nhau, do vậy mạng cần có thêm các phần tử để nối các cấu trúc
đờng lại với nhau. Nó có thể đơn thuần là là một bộ lặp lại (Repeater) nếu
nh các đờng dẫn cùng một loại. Còn nếu đờng dẫn không cùng loại một thì


17

1.2.2.4. Cu trỳc hỡnh sao
Là một cấu trúc mà có một nút quan trọng hơn tất cả nút này điều khiển
sự truyền thông của toàn mạng, đợc gọi là nút chủ. Nếu nút này bị hỏng thì
sự truyền thông trong mạng cũng không thể tiếp tục. Nút chủ là thiết bị trung
tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển chúng đến trạm đích.
Tuỳ theo yêu cầu truyền thông trong mạng, thiết bị trung tâm có thể là một bộ
chuyển mạch (Switch), bộ chọn đờng (Router) hoặc đơn giản là bộ phân kênh
(Hub). Vai trò thực chất của thiết bị trung tâm là thực hiện liên kết điểm điểm giữa các trạm. Chính vì thế tận dụng đợc tối đa tốc độ đờng truyền, dễ
dàng cấu hình lại và khắc phục sự cố.
Master
Station
HUB

Station

Station

Station

Hỡnh 1.8. Cu trỳc mng dng hỡnh sao
u im ca cu trỳc ny l lp t n gin, d dng thay i cu hỡnh
(thờm, bt trm), d dng kim soỏt v khc phc s c.
Nhc im ch yu l di ng truyn ni mt trm vi thit b
trung tõm b hn ch.
Cỏc trung tõm iu HT Quc gia, min, tnh, thnh ph c ni
mng vi nhau theo cu trỳc sao kt hp vi cu trỳc point to point.


MAN

< 25 km

WAN

> 25 km

Cấu trúc mạng WAN thờng có cấu trúc kiểu cây và mỗi mạng có cấu
trúc rất khác nhau. Mạng đợc thiết kế trên cơ sở các thành viên trong mạng ở
cách xa nhau, tức là dựa trên đòi hỏi về mặt địa lý. Mạng LAN thờng có cấu
trúc đờng thẳng, cấu trúc vòng hoặc cấu trúc hình sao. Cấu trúc của một


19

mạng LAN thờng rất tờng minh và ở đây yếu tố kinh tế ít đợc quan tâm
hơn yếu tố thoả mãn các yêu cầu truyền thông trong mạng.
Tự động hoá quá trình thuộc lĩnh vực hệ thống, do vậy mạng LAN và
WAN đợc ứng dụng để thực hiện truyền thông ở các mức cao, nh mô hình
các phần tử (điều hành hoạt động, điều hành sản xuất và điều hành hoạt động
của nhà máy). Đặc biệt là có thể điều hành thống nhất các nhà máy trong một
mạng. Lựa chọn môi trờng truyền thông hoàn toàn phụ thuộc vào độ tin cậy
và tốc độ truyền thông.
1.2.2.5. Kết nối mạng
Liên kết các hệ đờng dẫn (BusSystem)
Để cho dòng dữ liệu giữa hai mạng con có thể truyền qua lại cho nhau
ngời ta sử dụng các thiết bị liên kết đặc biệt. Thông thờng thì mỗi mạng con
đợc thiết lập các giao thức riêng, các thủ tục này có thể Giống/Khác so với
mạng con khác trong mạng. Vấn đề là làm thế nào có thể liên kết hai mạng

đờng dẫn tối u cho một thông báo thông qua mạng (Routing).
Tiêu chuẩn chọn đờng tối u là đờng truyền đến địa chỉ cần gửi là ngắn
nhất và qua ít thiết bị truyền tin trung gian nhất. Để thực hiện đợc việc này,
Router thay đổi địa chỉ của nơi gửi và nơi nhận trớc khi truyền tiếp dữ liệu
đi.
Cổng kết nối (Gateway) : Phục vụ cho việc liên kết các Subnet có cấu
trúc khác nhau, điều đó có nghĩa là Gateway có khả năng ghép nối các mạng
bất kỳ lại với nhau. Theo mô hình mạng chuẩn ISO, Gateway có khả năng
thông dịch thủ tục truyền thông của các lớp. Gateway cho phép liên kết các
Subnet thuộc chuẩn ISO và không thuộc chuẩn này, có nghĩa là liên kết qua
Gateway có thể là mạng 7 lớp (chuẩn ISO) hoặc có thể không.
1.2.2.6. Môi trờng truyền thông
Tuỳ vào khoảng cách truyền, tốc độ truyền mà ta có thể lựa chọn các giải
pháp truyền số liệu sau :


21

+ Cáp xoắn đôi (Twisted - Pair Cable ) loại cáp này gồm hai đờng dây
dẫn đồng đợc xoắn vào nhau cốt để giảm nhiễu điện từ (EMI) gây ra bởi môi
truờng xung quanh và chính chúng. Có hai loại cáp xoắn đôi đợc sử dụng
hiện nay là cáp xoắn có bọc kim và cáp xoắn không bọc kim.
+ Cáp đồng trục.
+ Cáp quang truyền tín hiệu quang đợc bọc một lớp áo có tác dụng phản
xạ các tín hiệu trở lại để giảm sự mất mát tín hiệu. Tín hiệu đợc truyền đi
là tín hiệu ánh sáng và vậy cần có thiết bị chuyển đổi.
Kt lun:
Nghiờn cu h thng iu khin giỏm sỏt v thu thp d liu trong cụng
nghip giỳp ta cú th nm bt c:
- Tng quan v h thng SCADA trong cụng nghip, cỏc chc nng