HOÀNG TRỌNG HƯNG

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

HOÀNG TRỌNG HƯNG

SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐỂ NÂNG CẤP CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT
TRẠM BIẾN ÁP PHÂN PHỐI: NGHIÊN CỨU TRƯỜNG
HỢP TRẠM BIẾN ÁP 110/6KV NHÀ MÁY XI MĂNG
CÔNG THANH – THANH HÓA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

2007-2009

HÀ NỘI - 2010


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

HOÀNG TRỌNG HƯNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH ĐỂ NÂNG

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................................4
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................................6
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................................7
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ VẤN ĐỀ TỰ
ĐỘNG HÓA TRONG TRẠM BIẾN ÁP ..............................................................................8

1.1

Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam ............................................... 8

1.1.1

Hệ thống truyền tải điện tại Việt Nam ......................................... 8

1.1.2

Hệ thống lưới điện phân phối tại Việt Nam ................................. 9

1.2

Vấn đề tự động hoá trạm biến áp ...................................................... 10

1.2.1

Về phương diện kinh tế .............................................................. 11

1.2.2

Về phương diện kỹ thuật ............................................................ 15

Phân tích và chẩn đoán các sự kiện ............................................ 20

2.1.7

Thuật toán thông minh cho vận hành và khôi phục trạm ........... 21

2.1.8

Tạo tài liệu tự động..................................................................... 22

2.1.9

Vận hành an toàn và bảo đảm .................................................... 23

2.1.10

Đa sử dụng dữ liệu.................................................................... 23

2.2

Cấu trúc của hệ thống tự động hoá trạm biến áp............................... 24

Nâng cấp chất lượng điều khiển, giám sát trạm biến áp...............Hoàng Trọng Hưng


Luận văn cao học

- 2 -

2010


Chức năng vận hành ................................................................... 37

2.4 Các yêu cầu về kỹ thuật của hệ thống tự động hoá trạm biến áp .......... 56
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRẠM BIẾN ÁP
DỰA TRÊN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG THƯỜNG...........................................60

3.1

Trạm biến áp theo phương pháp điều khiển thông thường ............... 60

3.2

Thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển cho trạm biến áp dựa trên hệ

thống điều khiển thông thường.................................................................... 62
3.2.1

Sơ đồ cấu trúc chung .................................................................. 62

3.2.2

Mô tả hệ thống............................................................................ 62

3.2.3

Xây dựng cơ sở dữ liệu............................................................... 67

CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG TẠI TRẠM BIẾN ÁP 110KV/6KV NHÀ MÁY XI MĂNG
CÔNG THANH – THANH HÓA .......................................................................................70


Kết quả mô phỏng thu được tại trạm 110/6kV nhà máy xi măng Công

Thanh – Thanh Hoá ..................................................................................... 86
4.3.1

kết quả thu được ......................................................................... 86

4.3.2

Chỉ tiêu kinh tế khi nâng cấp trạm ............................................. 92

CHƯƠNG 5 .........................................................................................................................93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA TÁC GIẢ...................................................................93

Nâng cấp chất lượng điều khiển, giám sát trạm biến áp...............Hoàng Trọng Hưng


Luận văn cao học

- 4 -

2010

LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của nền kinh tế ngày càng mạnh mẽ kéo theo đó là nhu
cầu về năng lượng ngày càng tăng cao và tất yếu sự phục vụ của ngành điện
nói riêng ngày càng đòi hỏi tốt hơn, đảm bảo hơn. Hoà nhịp cùng với sự phát
triển của công nghệ thông tin và ứng dụng những thành tựu khoa học công
nghệ và những thiết bị điện tử thông minh đã và đang trợ giúp trong ngành

hôm nay; Các anh, chị của trung tâm điều độ hệ thống điện Miền Bắc đã cung
cấp những tài liệu quý báu để tôi hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin được chân thành cảm ơn!
Hà Nội năm 2010
Tác giả

Nâng cấp chất lượng điều khiển, giám sát trạm biến áp...............Hoàng Trọng Hưng


Luận văn cao học

- 6 -

2010

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Minh hoạ cấu trúc của một trạm tự động hoá ......................................................25
Hình 2.2 Điều khiển mức ngăn thông qua màn hình LCD ...................................................30
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý trạm tự động hoá loại ngoài trời ...............................................31
Hình 2.4: Minh họa cấu trúc hệ thống tự động hóa cơ bản.................................................34
Hình 2.5 Trạng thái hệ thống với thanh cái được đánh màu...............................................39
Hình 2.6: Cấu hình hệ thống thực điển hình của trạm tự động hóa.....................................40
Hình 2.7: Màn hình hiển thi danh mục sự kiện điển hình...................................................41
Hình 2.8: Giao diện người máy cho việc điều khiển và giám sát trạm................................43
Hình 2.9 Các lệnh tác động từ giao diện người máy ở trạm ...............................................47
Hình 2.10 Nguyên lý điều khiển “Chọn” trước khi “Thực hiện” .....................................47
Hình 2.11: Chỉ báo khóa mức ngăn ....................................................................................51
Hình 2.12: Biểu đồ tự động sa thải phụ tải .........................................................................53
Hình 3.1: Nguyên lý cấu trúc của một trạm điều khiển thông thường ................................61
Hình 3.2 : Mô hình xây dựng hệ thống giám sát điều khiển trạm .......................................62


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Bảng khối lượng lưới điện phân phối của Việt Nam .........................................10
Bảng 1.2 : Hệ thống lưới điện phân phối theo phạm vi quản lý của các công ty điện lực ... 10

Nâng cấp chất lượng điều khiển, giám sát trạm biến áp...............Hoàng Trọng Hưng


Luận văn cao học

- 8 -

2010

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM
VÀ VẤN ĐỀ TỰ ĐỘNG HOÁ TRONG TRẠM BIẾN ÁP

1.1

Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam

1.1.1

Hệ thống truyền tải điện tại Việt Nam

Lưới điện truyền tải Việt Nam hiện đang sử dụng chủ yếu ở các cấp điện
áp: 500kV, 220kV và 110kV. Việc vận hành và bảo dưỡng lưới điện truyền
tải chủ yếu do 4 công ty truyền tải điện đảm nhiệm, đó là: Công ty truyền tải
điện 1, công ty truyền tải điện 2, công ty truyền tải điện 3 và công ty truyền

lạc hậu trước đây dần được thay thế bằng các thiết bị hiện đại, được sản xuất
theo công nghệ mới có chất lượng và độ tin cậy cao hơn.
Hiện nay đa số các trạm biến áp có cấp điện áp 110kV, 220kV và 500kV
đều được đầu tư đồng bộ hệ thống SCADA. Các trạm biến áp 500kV, 220kV
mới và một số trạm biến áp 110kV được đầu tư Hệ thống điều khiển tích hợp
bằng máy tính để phục vụ việc giám sát và điều hành lưới điện từ các Trung
tâm điều độ Miền và Trung tâm điều độ Quốc Gia.
Với lưới điện truyền tải như ngày nay, việc vận hành lưới điện sẽ ngày
càng khó khăn hơn khi mật độ các trạm biến áp ngày càng nhiều hơn, việc
đảm bảo tính ổn định hệ thống khó hơn, mặt khác do nhu cầu của phụ tải đòi
hỏi chất lượng điện năng ngày càng cao. Do đó việc đầu tư nâng cấp các Hệ
thống SCADA/EMS cũng như các trạm điện được trang bị hệ thống tự động
hóa là rất cần thiết.
1.1.2

Hệ thống lưới điện phân phối tại Việt Nam

Hệ thống lưới điện phân phối của Việt Nam hiện nay bao gồm nhiều cấp
điện áp khác nhau, tổn thất trong lưới phân phối cũng khá lớn, ngành điện
đang đầu tư và nâng cấp, mở rộng mạng lưới phân phối để đáp ứng nhu cầu và
chất lượng điện năng. Hiện tại, hệ thống lưới điện phân phối của Việt Nam do
bảy công ty điện lực thuộc Tổng công ty điện lực Việt Nam quản lý. Dưới đây
là bảng thống kê lưới điện phân phối của Việt Nam

Nâng cấp chất lượng điều khiển, giám sát trạm biến áp...............Hoàng Trọng Hưng


Luận văn cao học

- 10 -

Do đó sự cần thiết phải tự động hoá các trạm biến áp xây dựng mới cũng
như hiện hữu phải được xem xét và đánh giá đúng mực nhằm đạt được những
yêu cầu mong muốn của thị trường điện trong tương lai.
Tự động hoá trạm biến áp với việc đưa ra các phản ứng tức thời thích
hợp đối với các sự kiện xảy trong thời gian thực nhằm đảm bảo duy trì việc
cung cấp điện không bị gián đoạn, do đó trong vận hành các trạm biến áp
ngày càng được giám sát và điều khiển một cách hợp lý và hiệu quả để người
vận hành nắm bắt được một cách chính xác các nguy cơ có thể xảy ra các sự
cố gây ngừng cung cấp điện hay không. Đồng thời với sự phát triển gần đây
trong công nghệ thông tin cho phép thực hiện hiệu quả các hệ thống điều
khiển giám sát từ xa với khả năng giám sát điều kiện vận hành các thiết bị
trong thời gian thực tại các trạm biến áp.
Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu của thị trường và xu hướng phát triển
cũng như sự mở rộng không ngừng mạng điện của các nước, các công ty điện
lực đang dần trang bị hệ thống tự động hoá đối với các trạm biến áp trong lưới
điện của họ ở tất cả các cấp truyền tải và phân phối. Để thực hiện được công
việc trên, các công ty điện lực phải có được những kiến thức đầy đủ về sự cần
thiết của họ đối với vấn đề tự động hoá và lợi ích của nó. Vấn đề quyết định
trong những lựa chọn là xem xét tới yếu tố kinh tế và kỹ thuật của phương án
1.2.1

Về phương diện kinh tế

Việt Nam đang hình thành và phát triển thị trường điện lực, sự cạnh
tranh ngày càng mạnh trong thị trường đòi hỏi phải có những thông tin khi
cần thiết phải quyết định nhanh. Trong tương lai, các công ty dịch vụ năng
lượng sẽ thay thế các công ty điện lực, các nhà bán lẻ điện năng đang xuất
hiện trên thị trường điện lực. Đồng thời, sự tư nhân hoá phi điều tiết của các
mạng lưới điện quốc gia đã hình thành các công ty phi quốc gia trong thị
trường làm xuất hiện ngày càng nhiều các nhà sản xuất và buôn bán điện

Với trạm biến áp kiểu truyền thống, việc kéo dài cáp là yêu cầu không
thể tránh khỏi giữa các ngăn trong một trạm, việc đi cáp này chịu ảnh hưởng
của môi trường cũng như sự ăn mòn, cảm ứng, tổn hao tín hiệu, hư hỏng cáp.
Tự động hoá trạm biến áp sử dụng quá trình xử lý tín hiệu số không đòi
hỏi việc đi cáp kéo dài. Chỉ cần đi cáp cho thông tin liên lạc giữa thiết bị

Nâng cấp chất lượng điều khiển, giám sát trạm biến áp...............Hoàng Trọng Hưng


Luận văn cao học

- 13 -

2010

chính và tủ điều khiển ngăn tại chỗ của nó, hoặc là trực tiếp hoặc qua một bus
xử lý.
Hơn nữa, không gian yêu cầu xây dựng của các trạm tự động hoá mới
cũng sẽ được giảm, góp phần vào việc giảm chi phí chung cho việc lắp đặt
trạm.
* Giảm thiết bị chuyên dụng cho mỗi chức năng
Trong tự động hoá trạm biến áp hiện đại, vì các chức năng được tổ hợp
và cấu trúc gọn nên kèm theo đó sẽ giảm được chi phí khi nâng cấp, lắp đặt,
và bảo dưỡng thiết bị tự động trong trạm biến áp.
1.2.1.2 Giảm tổng chi phí vận hành
Hiện nay, theo thống kê hàng năm, chi phí cho vận hành hệ thống điện
của Việt Nam là rất lớn, do đó có ảnh hưởng đáng kể đến toàn bộ hoạt động
kinh tế của công ty điện lực. Tự động hoá trạm biến áp với những thông tin
chính xác là yếu tố cần thiết để giảm chi phí vận hành, từ đó giảm được các
chi phí như:

nhiều khó khăn và phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến lưới điện phía sau.
Trong các trạm biến áp được tự động hoá, trục trặc có thể được tối thiểu hoá
do việc đi dây ít phức tạp hơn và bị giới hạn ở khoảng cách nhất định. Hầu hết
khắc phục trục trặc sẽ được thực hiện bằng phần mềm trong đó sức người và
thiết bị thí nghiệm được hạn chế.
- Giảm chi phí sửa chữa thiết bị nhất thứ: Trong hệ thống tự động hoá,
nhờ việc ghi nhận chính xác và theo thời gian các dữ liệu về hoạt động của
thiết bị nên đã giảm đáng kể được thiết bị dự phòng và nhân công bảo dưỡng.
Ví dụ các rơ le bảo vệ xuất tuyến lưới điện phân phối mới có các tính năng
cung cấp thông tin về bao nhiêu lần máy cắt xuất tuyến tác động trong các
điều kiện sự cố hơn là việc đếm đơn giản là đếm tổng số lần máy cắt tác động.
Dữ liệu này không thể nhận được từ trạm biến áp loại cổ điển.
Một hệ thống tự động hoá trạm cung cấp khả năng giám sát liên tục hàng
loạt các tín hiệu và các phần tử. Theo dõi liên tục và chẩn đoán toàn bộ các
thiết bị lắp đặt trong khi vận hành cho phép lập kế hoạch bảo dưỡng khi cần
thiết hơn là dựa trên cơ sở kiểm tra định kỳ.
Nâng cấp chất lượng điều khiển, giám sát trạm biến áp...............Hoàng Trọng Hưng


Luận văn cao học

1.2.2

- 15 -

2010

Về phương diện kỹ thuật

Với tốc độ phát triển của các nền kinh tế như hiện nay, đồng thời mạng

- 16 -

2010

cập nhật theo mỗi sửa đổi trước khi đưa hệ thống mới vào vị trí vận hành, do
đó có được cập nhật liên tục về hệ thống. Điều này cho phép thay đổi hệ
thống của tất cả thiết bị nhị thứ đơn giản hơn và đỡ mất thời gian hơn.
1.2.2.2 Về chức năng hoá
Đối với hệ thống truyền thống hiện có, khi thêm các chức năng mới, hệ
thống yêu cầu rất nhiều thay đổi ở thiết bị nhị thứ, nhưng đối với một hệ
thống hiện đại mới, khả năng thêm các chức năng vào thiết bị hiện đại hiện có
là đơn giản và ít đòi hỏi hơn. Điều này cung cấp khả năng lựa chọn một chức
năng từ các thiết bị phần cứng khác nhau và cung cấp qua hệ thống thông tin
liên lạc dữ liệu cần thiết bởi phần mềm trạm chủ.
1.2.2.3 Về độ tin cậy
Khả năng chẩn đoán các vấn đề thời gian thực trong hệ thống, và cung
cấp thông tin chính xác về hệ thống điện trong thời gian ngắn phục vụ yêu cầu
chẩn đoán và tăng độ tin cậy của trạm, từ đó sẽ phục hồi nhanh hơn các trạm
biến áp thông thường.

Nâng cấp chất lượng điều khiển, giám sát trạm biến áp...............Hoàng Trọng Hưng


Luận văn cao học

- 17 -

2010

CHƯƠNG 2

cứng bằng các cáp.
Nâng cấp chất lượng điều khiển, giám sát trạm biến áp...............Hoàng Trọng Hưng


Luận văn cao học

- 18 -

2010

−Tự động thu thập và phân tích các sự kiện và đưa ra các cảnh báo về
thiết bị: Thời gian định kỳ, số lần đóng cắt bình thường hoặc sự cố …
−Ghi biểu đồ phụ tải
−Giám sát chất lượng điện năng.
−SCADA trạm hay HMI.
−SCADA trạm từ xa – Các trung tâm điều độ.
−Thời gian của IEDs được đồng bộ theo 1 hệ thời gian chuẩn. IED –
Intelligent Electronic Device: Là các thiết bị điện tử thông minh, các rơle số.
−Hiển thị sơ đồ MIMIC điều khiển
−Hiển thị được các điều kiện làm việc của thiết bị.
−Các chỉ thị và hư hỏng và khả năng giải trừ.
−Truy cập vào/ra.
−Lưu trữ dữ liệu trong trạm
−Phân tích và chẩn đoán
−Mở rộng hệ thống.
−Chia sẻ dữ liệu và thực hiện điều khiển giám sát trên WEB.
2.1.2

Bảo vệ trạm biến áp


−Kiểm tra đồng bộ (SC) trước khi đóng
−Kết nối với trung tâm điều độ
* Các chức năng điều khiển nâng cao điển hình trong trạm biến áp
thường gồm:
−Trình tự đóng cắt
−Tự động cô lập bộ phận bị sự cố
−Tự động thay đổi các thanh cái
−Tự động đóng lại thông minh (AR)
−Chuyển đổi phụ tải giữa các đường dây
−Sa thải phụ tải thông minh
−Phục hồi nguồn điện thông minh
−Tối ưu hoá trao đổi công suất giữa các công ty điện lực
* Các chức năng điều khiển mức trạm:
Các chức năng điều khiển mức trạm điển hình là:
−Khoá liên động trong phạm vi trạm
−Đồng bộ thời gian trong phạm vi trạm
Nâng cấp chất lượng điều khiển, giám sát trạm biến áp...............Hoàng Trọng Hưng


Luận văn cao học

- 20 -

2010

−Lưu trữ dữ liệu trong trạm
−Thu thập các file ghi nhiễu loạn (sự cố)
−Phân tích và chẩn đoán
2.1.4



Luận văn cao học

- 21 -

2010

−Phân tích hỏng hóc
−Tự động tạo báo cáo sự cố
−Phân tích trình tự sự kiện
−Thống kê cảnh báo (chẳng hạn của một xuất tuyến)
−Tự động đánh giá nhiễu loạn
2.1.7

Thuật toán thông minh cho vận hành và khôi phục trạm

Trong các thiết bị trạm có tất cả các thời gian của trạm, những dữ liệu
này luôn có sẵn và nhanh chóng được sử dụng cho vận hành và khôi phục (tự
động) thông minh của trạm.
* Những tiến bộ điển hình đạt được với các hệ thống tự động hoá là:
− Giải trừ chỉ thị trạng thái trạm (trạm đang bình thường, bắt đầu hỏng
hóc, xuất hiện sự cố v.v...) chỉ thị rõ ràng trạng thái trạm (trạm đang tốt, chớm
hỏng hóc, sự cố xuất hiện, v.v...)
− Hệ thống có thể được làm việc gần với các giới hạn
− Phát hiện các sự kiện, các cảnh báo, các sự cố
− Phát hiện các dấu hiệu sự cố
− Đo lường ngăn chặn sớm
− Dự đoán bảo dưỡng khi có yêu cầu
− Đặc tính làm việc dựa trên bảo dưỡng
− Giảm thời gian dừng cho sửa chữa

Tài liệu tự động là rất quan trọng và cần thiết khi thay đổi, nâng cấp và
sửa đổi trạm, và các thao tác dẫn đến từ tất cả các hoạt động.
2.1.8.1 Các thay đổi, nâng cấp, và sửa đổi trạm
Trong trạm biến áp và hệ thống điện. các hệ thống tự động cũng cần thay
đổi, sửa đổi, nâng cấp hoặc mở rộng. Các thao tác như thế được thực hiện ở
mức trạm trong các hệ thống hiện đại, dữ liệu được tải xuống từ đây đến IED.
Tất cả các thay đổi thực hiện ở mức trạm có thể do đó được tài liệu hoá tự
động.
2.1.8.2 Các thao tác trạm
Các hệ thống tự động hiện đại ghi lại tất cả các công việc vận hành, đóng
cắt, và các thay đổi thực hiện trong một trạm biến áp.
* Ví dụ về các thao tác được theo dõi, điều khiển, giám sát hoặc lưu trữ
tự động là:
−Trạng thái
Nâng cấp chất lượng điều khiển, giám sát trạm biến áp...............Hoàng Trọng Hưng