Nghiên cứu giải pháp mở rộng hệ thống MINISCADA lưới điện phân phối - Khu vực miền Trung

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 255 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP MỞ RỘNG HỆ THỐNG MINISCADA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI – KHU VỰC MIỀN TRUNG A STUDY ON THE SOLUTIONS FOR THE EXPANSION OF MINISCADA ON DISTRIBUTION NETWORKS IN CENTRAL REGIONS Trần Vinh Tịnh Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Nguyễn Thành, Nguyễn Văn Ngà Tổng Công ty Điện lực miền Trung TÓM TẮT Hàng năm, lưới điện phân phối được đầu tư phát triển không ngừng để đáp ứng nhu cầu cung cấp điện cho khách hàng. Vì vậy, hệ thống miniSCADA/DMS phải được đầu tư mở rộng đồng bộ với sự phát triển của lưới điện để đáp ứng các yêu cầu về điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu trên lưới điện cũng như khả năng khai thác các ứng dụng của hệ thống miniSCADA/DMS. Bài báo phân tích, đánh giá giải pháp kỹ thuật kết nối SCADA tại các trạm biến áp (TBA) 110kV, các thiết bị trên lưới điện phân phối (LĐPP) như: Recloser, LBS và hệ thống thông tin truyền thông giữa Trung tâm điều khiển với các TBA 110kV, Recloser, LBS của hệ thống miniSCADA tại 4 thành phố: Huế, Đà Nẵng, Qui Nhơn và Buôn Ma Thuột, khu vực miền Trung. Từ đó, đề xuất các giải pháp mở rộng hệ thống thông tin truyền thông và kết nối SCADA tại các TBA 110kV, Recloser, LBS và mô hình kết nối SCADA LĐPP khu vực miền Trung phù hợp trong công tác quản lý vận hành, điều độ lưới điện để định hướng cho việc đầu tư xây dựng mới và kết nối mở rộng hệ thống miniSCADA trong tương lai. ABSTRACT Every year the distribution network is continuously developed to meet the demand of supplying power to customers. Therefore, the miniSCADA/DMS must be invested and expanded hand in hand with the power network development in response to the control, supervision and data collection on the power network as well as the exploitation of the miniSCADA/DMS applications. This article presents analyses and evaluation on the technical solutions for the SCADA connection at 110kV substations, and equipment on the distribution network including Reclosers, LBS, and the communication system between the control centre and the 110kV substations, reclosers, LBS of the miniSCADA systems in the four cities -- Hue, Danang, Quinhon and Buon Ma Thuot in Central Vietnam. In this article, we propose solutions to the expansion and connection of miniSCADA 110kV substations, reclosers, LBS and the SCADA connection model on the Central power distribution networks, facilitating the operating management and power dispatching to orientate new activities for the construction and expansion of future miniSCADA. 1. Đặt vấn đề Từ năm 2006, Tổng Công ty Điện lực miền Trung (EVNCPC) đầu tư hệ thống miniSCADA LĐPP tại 4 thành phố khu vực miền Trung: Huế, Đà Nẵng, Qui Nhơn và Buôn Ma Thuột. Đến đầu năm 2010, Hệ thống miniSCADA đã được nghiệm thu đưa vào vận hành thử nghiệm. Qua thời gian vận hành thử nghiệm đã chứng minh được việc TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 256 đầu tư xây dựng hệ thống miniSCADA là cần thiết, mang lại nhiều tiện ích trong công tác quản lý vận hành và điều độ lưới điện. Tuy nhiên, để phát huy hiệu quả hệ thống miniSCADA và khai thác được các ứng dụng của chương trình phần mềm SCADA/DMS cần tiếp tục đầu tư mở rộng kết nối SCADA tại các TBA 110kV và các thiết bị trên lưới điện như Recloser, LBS. 2. Phân tích, đánh giá hệ thống thông tin liên lạc - Hệ thống thông tin liên lạc giữa Trung tâm điều khiển và các TBA 110kV sử dụng giải pháp truyền dẫn quang làm đường truyền chính và đường truyền dự phòng là đường dây điện thoại công cộng (PSTN) để truyền số liệu. Với giải pháp sử dụng đường truyền này chi phí đầu tư thấp do sử dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của lưới điện; đây là đường truyền có băng thông rộng, sử dụng nhiều dịch vụ đồng thời và độ tin cậy cao. Vì vậy, tiếp tục tận dụng cơ sở hạ tầng cáp quang hiện có để kết nối mở rộng SCADA trong tương lai là giải pháp hợp lý. - Hệ thống thông tin liên lạc giữa trung tâm điều khiển và các Recloser, LBS được sử dụng hệ thống thông tin UHF, gồm 2 kênh truyền: UHF1 là kênh truyền chính và UHF2 là kênh dự phòng. Dải tần số hoạt động từ 400 MHz – 470 MHz. Giải pháp kết nối và truyền tin như hình 2.1: Tại Trung tâm điều khiển lắp đặt modem UHF master và anten. Tại các Recloser, LBS lắp đặt modem UHF slave và anten. Các modem master và slave hoạt động trên nguyên tắc điểm – đa điểm. Hệ thống thông tin UHF có chi phí đầu tư thấp hơn so với các hệ thống thông tin khác như: GSM/GPRS, cáp quang, ADSL.có kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt và thiết lập kênh truyền. Tuy nhiên, hệ thống UHF hoạt động theo nguyên tắc light-of-sight (tầm nhìn thẳng) và dải tần số thấp nên phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết và địa hình, do vậy tín hiệu truyền tin thường bị chập chờn hoặc nhiễuĐể khắc phục các nhược điểm nêu trên, nhóm tác giả đề xuất mô hình giải pháp mở rộng hệ thống thông tin UHF như sau: Hình 2.1. Mô hình hệ thống UHF hiện hữu Hình 2.2. Mô hình mở rộng hệ thống UHF. Cáp quang TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 257 Hiện nay, EVNCPC đã đầu tư xây dựng các trạm thu phát sóng BTS và hệ thống cáp quang tại các quận, huyện, thành phố để cung cấp dịch vụ viễn thông ngành điện. Trên cơ sở hạ tầng hiện có phân vùng các Recloser, LBSthực hiện kết nối SCADA theo vùng phủ sóng của trạm BTS. Sau đó sử dụng giải pháp lắp đặt modem UHF master và anten tại cột anten của trạm BTS và modem UHF slave và anten tại các Recloser, LBS. Tín hiệu tại ngõ ra của modem UHF master sẽ được ghép nối lên thiết bị truyền dẫn quang hiện có tại trạm BTS, từ đó truyền về Trung tâm điều khiển tại trụ sở các Công ty Điện lực. Mô hình mở rộng như hình 2.2. 3. Phân tích, đánh giá giải pháp kết nối SCADA tại các TBA 110kV và các thiết bị LBS, Recloser trên lưới điện 3.1. Tại các TBA 110kV - Giải pháp kết nối SCADA hiện tại: Tại các TBA 110kV lắp đặt RTU 560. Các tín hiệu điều khiển, giám sát được lấy từ các tiếp điểm phụ của rơle, mạch điều khiển, giám sát tại trạm đưa vào các card vào/ra của RTU 560. Các tín hiệu đo lường được lấy từ TU, TI đưa vào Transducer và kết nối đến RTU 560 qua cổng giao tiếp RS485 với giao thức truyền thông Modbus. Giải pháp kết nối này có ưu điểm là thu thập được các tín hiệu điều khiển, giám sát với các mã hiệu rơle của các nhà sản xuất khác nhau nhưng có rất nhiều nhược điểm như: Khi mở rộng RTU phụ thuộc hoàn toàn vào công nghệ của nhà sản xuất; lắp đặt quá nhiều các thiết bị phụ như: rơle trung gian, hàng kẹp, contact, cáp tín hiệu đấu nốidẫn đến độ tin cậy thấp, khó khăn trong quản lý vận hành, tốn nhiều thời gian và chi phí trong việc đấu nối, thí nghiệm; sai số đo lường lớn. Ngoài ra, giải pháp này không khai thác được nhiều chức năng như: truy cập và cài đặt các thông số rơle từ Trung tâm điều khiển; đọc xa các thông số đo lường từ công tơ (meter) hoặc rơle (IEDs); không ghi nhận được dòng sự cố thông qua rơle từ Trung tâm điều khiển. - Giải pháp mở rộng: + Đối với các TBA 110kV đã lắp đặt RTU 560: Khi đầu tư mở rộng lưu ý các card tín hiệu vào/ra phải có cùng thông số kỹ thuật, mã hiệu và nhà sản xuất với các card vào/ra hiện hữu. Số lượng card vào/ra phụ thuộc vào số lượng các tín hiệu cần thu thập. + Đối với các TBA 110kV đầu tư xây dựng mới: Theo định hướng, ngành điện Việt Nam đang nổ lực chuyển từ TBA 110kV có người trực sang trạm không người trực nhằm nâng cao năng suất lao động, vì vậy cần lựa chọn các giải pháp kỹ thuật và công nghệ phù hợp với yêu cầu về quản lý vận hành và điều độ lưới điện. Đề xuất mô hình giải pháp đầu tư TBA 110kV theo giải pháp tự động hoá TBA 110kV trên nền tảng giao thức truyền thông IEC 61850. Trước đây, các giao thức truyền thông được sử dụng trong việc giám sát điều khiển xa TBA phổ biến như: Modbus, DNP3, UCA và IEC 60870-5-103... Khi xây dựng và phát triển về tự động hoá TBA gặp nhiều khó khăn do các thiết bị được cung cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau thì thiết bị không thể trao đổi, sử dụng thông tin lẫn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 258 nhau, đồng thời hạn chế về tốc độ xử lý thông tin. Xuất phát từ những hạn chế đó, từ năm 1994 các chuyên gia của các nước châu Âu và Bắc Mỹ trong hiệp hội tiêu chuẩn kỹ thuật điện quốc tế IEC và ANSI đã phối hợp xây dựng phát triển và cho ra đời giao thức truyền thông IEC 61850 trên cơ sở sự kết hợp của tiêu chuẩn UCA2.0 và IEC 60870-5- 103. Từ năm 2004, giao thức truyền thông IEC 61850 đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới trong lĩnh vực tự động hoá TBA. Hệ thống tự động hoá trạm thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin vận hành, hệ thống bảo vệ, điều khiển và đo lường tại TBA. Thông tin sẽ được thu thập thông qua việc kết nối trực tiếp với các thiết bị điều khiển, bảo vệ và đo lường thông minh (IEDs) bằng giao thức truyền thông IEC61850. Giải pháp này sẽ cho phép loại bỏ RTU như hiện nay; tạo ra sự thuận tiện cho việc mở rộng và nâng cấp sau này, giảm chi phí và thời gian cho công tác đấu nối và thí nghiệm; kết nối các IEDs của các nhà sản xuất khác nhau; tiếp cận đến mọi dữ liệu của thiết bị trong trạm; đáp ứng được các yêu cầu về TBA không người trực; tận dụng được sức mạnh của đường truyền quang trên cơ sở hạ tầng hiện có của lưới điện. Sơ đồ hệ thống điều khiển tích hợp TBA 110kV như hình 3.1. Để đảm bảo cho việc mở rộng kết nối các IEDs của các nhà sản xuất khác nhau yêu cầu các IEDs phải được tuân thủ đúng và đầy đủ chuẩn giao thức truyền thông IEC61850. Cấu hình mở rộng kết nối thực hiện trên các file ngôn ngữ cấu hình trạm có phần mở rộng là: *.SCL (Substation Configuration Language). *.SCD files (System Configuration Description); *.SSD files (System Specification Description); *.ICD files (IED Capability Description); *.CID (Configured IED Description). Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp 110kV. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 259 3.2. Tại các LBS - Giải pháp kết nối SCADA tại các LBS hiện tại: Lắp đặt thiết bị REC 523 như là một RTU thu thập các tín hiệu điều khiển, giám sát tại LBS. Các tín hiệu điều khiển, giám sát được trích từ tiếp điểm phụ của mạch điều khiển, giám sát tại tủ điều khiển đưa vào REC523. Lắp đặt TU, TI để lấy tín hiệu đo lường: I, U, P, Q và Cosφ và cấp nguồn cho tủ điều khiển, RTU và môtơ truyền động. Lắp đặt thiết bị thông tin UHF gồm: Moderm, anten, kim chống sét. Các LBS hiện có trên lưới điện được trang bị nhiều mã hiệu của nhiều nhà sản xuất khác nhau và chỉ có bộ phận đóng cắt cơ khí không có tủ điều khiển. Để thực hiện kết nối SCADA các LBS hiện có trên lưới điện phải mua sắm bổ sung tủ điều khiển gồm: môtơ và thanh truyền động từ tủ điều khiển đến bộ phận đóng cắt cơ khí phải cùng mã hiệu và nhà sản xuất với phần đóng cắt cơ khí của LBS hiện hữu trên lưới điện để đảm bảo tương thích về hành trình truyền động cơ khí, nhưng do một số mã hiệu LBS của các nhà sản xuất không còn sản xuất hoặc có sản xuất thì giá thành khá cao. Giải pháp mở rộng: Để thực hiện kết nối SCADA tại các LBS và khắc phục các hạn chế nêu trên, cần đầu tư mới LBS trọn bộ gồm: cơ cấu đóng cắt, tủ điều khiển, động cơ và thanh truyền động, máy biến áp cấp nguồn, RTU, modem UHF slave. RTU được cài đặt giao thức truyền thông IEC60870-5-101 slave đáp ứng theo chuẩn giao thức truyền thông IEC60870-5-101 master hiện có tại Trung tâm điều khiển (tuân thủ bảng Interoperability Checklist for IEC60870-5-101). Ngoài ra, trang bị thêm modem UHF master và anten lắp đặt tại Trung tâm điều khiển (hoặc tại các trạm BTS) cùng nhà sản xuất LBS trọn bộ được trang bị. Sơ đồ của một LBS trọn bộ như hình 3.2. 3.3. Tại các Recloser - Giải pháp kết nối SCADA tại các Recloser hiện tại: Lắp đặt thiết bị REC 523 như là một RTU thu thập các tín hiệu điều khiển, giám sát và đo lường tại các Recloser. Các tín hiệu điều khiển, giám sát được trích từ card vào/ra hoặc tiếp điểm phụ của mạch điều khiển, giám sát tại tủ điều khiển của Recloser đưa vào REC 523. Lắp đặt TU, TI để lấy tín hiệu đo lường: I, U, P, Q và Cosφ và cấp nguồn cho tủ điều khiển và RTU. Lắp đặt thiết bị thông tin UHF gồm: Moderm, anten, kim chống sét. Các Recloser hiện có trên lưới điện được trang bị nhiều chủng loại của nhiều nhà Hình 3.2. Sơ đồ của một LBS trọn bộ. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 260 sản xuất khác nhau. Một số chủng loại Recloser tủ điều khiển không có card vào/ra nên không thể thực hiện kết nối SCADA. Vì vậy, để thực hiện việc kết nối SCADA phải mua bổ sung card vào/ra của chính nhà sản xuất Recloser hiện hữu nhưng gặp nhiều khó khăn do: nhà sản xuất không còn sản xuất hoặc có sản xuất thì giá thành khá cao. Ngoài ra, các Recloser đã đưa vào vận hành khá lâu nên MainBoard tủ điều khiển có thể không nhận dạng được tín hiệu từ Card vào/ra lắp đặt bổ sung. Mặt khác, kết nối SCADA theo giải pháp này không khai thác được các dịch vụ như: truy xuất và cài đặt dữ liệu của Recloser từ Trung tâm điều khiển, đọc xa các thông số đo lường trực tiếp từ tủ điều khiển, ghi nhận dòng sự cố. Giá thành của thiết bị và chi phí lắp đặt của giải pháp kỹ thuật này khá cao. Giải pháp mở rộng: Đầu tư mua sắm mới các Recloser trọn bộ gồm: bộ phận đóng cắt Recloser, máy biến áp cấp nguồn, tủ điều khiển được tích hợp sẵn RTU, modem UHF slave và hệ thống anten thu phát với dải tần số từ 400 MHz – 470 MHz. Giao thức truyền thông được cài đặt tại RTU slave của Recloser đáp ứng theo chuẩn giao thức truyền thông IEC60870-5-101 master hiện có tại Trung tâm điều khiển (tuân thủ bảng Interoperability Checklist for IEC60870-5-101). Ngoài ra, trang bị thêm modem UHF master và anten thu phát lắp đặt tại Trung tâm điều khiển (hoặc tại trạm BTS) của cùng nhà sản xuất Recloser trọn bộ được trang bị. Sơ đồ khối của một Recloser trọn bộ như hình 3.3. 4. Mô hình giải pháp kết nối mở rộng SCADA LĐPP khu vực miền Trung Để định hướng cho việc đầu tư mở rộng kết nối SCADA LĐPP khu vực miền Trung đáp ứng các yêu cầu về quản lý vận hành và điều độ lưới điện theo định hướng của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, mô hình và giải pháp kết nối SCADA như hình 4.1: - Thiết lập Trung tâm giám sát, điều hành sản xuất tập trung để giám sát điều hành các hoạt động quản lý vận hành, điều độ, sản xuất và kinh doanh điện năng LĐPP khu vực miền Trung. Thực hiện kết nối chia sẻ thông tin vận hành SCADA qua mạng máy tính với Trung tâm Điều độ hệ thống điện miền Trung (A3), Điều độ LĐPP và Trung tâm thao tác đóng cắt - Công ty Lưới điện Cao thế miền Trung. - Thiết lập một trung tâm thao tác đóng cắt các TBA 110kV không người trực theo địa bàn Tỉnh, thành phố hoặc khu vực trực thuộc Công ty Lưới điện Cao thế miền Trung có nhiệm vụ quản lý vận hành và thao tác đóng cắt theo lệnh của các cấp điều độ Hình 3.3. Sơ đồ khối của một Recloser trọn bộ. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 261 có quyền điều khiển. Thực hiện kết nối SCADA về Trung tâm thao tác đóng cắt từ các TBA 110kV được đầu tư theo giải pháp tự động hoá TBA không người trực. - Thực hiện kết nối SCADA tại các TBA 110kV (các thiết bị thuộc quyền điều khiển của A3), các nhà máy điện có tổng công suất lắp đặt > 30MW về Trung tâm điều khiển A3. - Thực hiện kết nối SCADA tại các TBA 110kV (các thiết bị thuộc quyền điều khiển của Điều độ LĐPP), các nhà máy điện có tổng công suất lắp đặt ≤ 30MW và các thiết bị trên LĐPP như Recloser, LBS, RMUvề Trung tâm điều khiển tại trụ sở Công ty Điện lực tỉnh, thành phố. - Giao thức truyền thông sử dụng để kết nối giữa RTU/Gateway và hệ thống SCADA (tại Trung tâm điều khiển) là IEC 60870-5-101. Thực hiện kết nối chia sẻ thông tin vận hành SCADA qua mạng Internet với giao thức ICCP. Hình 4.1. Mô hình kết nối SCADA LĐPP khu vực miền Trung. 5. Kết luận Giải pháp kỹ thuật mở rộng kết nối SCADA tại các TBA 110kV, các thiết bị Recloser, LBS trên lưới điện và mô hình giải pháp kết nối SCADA LĐPP khu vực miền Trung là một đề xuất định hướng cho việc đầu tư mở rộng hệ thống SCADA LĐPP TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 262 trong tương lai. Giải pháp này giải quyết được các hạn chế của giải pháp kết nối SCADA hiện tại, đáp ứng các yêu cầu về công tác quản lý vận hành và điều độ LĐPP, giảm chi phí đầu tư cho việc thực hiện kết nối SCADA. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tài liệu kỹ thuật của các thiết bị trong hệ thống mini SCADA: RTU 560; REC523; Fall Back Switch; Radio UHF (Satel); Recloser; LBS, máy cắt [2] Giải pháp về tự động hoá trạm biến áp của các nhà sản xuất ABB, Siemens. [3] Hồ sơ thiết kế hệ thống miniSCADA tại 4 thành phố Huế, Đà Nẵng, Qui Nhơn, Buôn Ma thuột. [4] International Standard IEC 60870-5-101; IEC 61850. [5] Klaus-Peter Brand, Volker Lohmann, Wolfgang Wimmer: “Substation Automation Hanbook”. [6] James Northcote – Green, Robert Wilson: “Control and Automation of Electrical Power Distribution System”.