Những thiết bị chính trong hệ thống tự động hóa SCADA

Những thiết bị chính trong hệ thống tự động hóa SCADA

Hệ thống SCADA là một tập hợp của cả các thành phần phần mềm và phần cứng cho phép giám sát và kiểm soát các nhà máy, cả cục bộ và từ xa.

Tổng quan hệ thống SCADA.

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.

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

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

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 .

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.

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.

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.

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)

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)

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)

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)

Đo lường xa các thông số hệ thống điện (HTĐ)

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.

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,

-    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.

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
• 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.

Điều khiển từ xa

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,...)

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

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.