TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hoàn thiện hệ thống điều khiển và giám sát nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 PHAN VĂN THẮNG thang pv161341sis hust edu vn Ngành Kỹ thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa Chuyên ngành Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Đăng Ninh Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp Viện Điện HÀ NỘI, 12021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hoàn thiện hệ thống điều khiển và giám sát nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 PHAN VĂN THẮNG.
TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 5
Tổng quan về nhà máy thủy điện
1.1.1 Khái niệm và phân loại nhà máy thủy điện
Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo từ sự chuyển động của nước, chủ yếu được khai thác từ thế năng của nước tích trữ tại các đập Quá trình sản xuất điện diễn ra khi nước chảy qua hệ thống ống dẫn, làm quay tuabin, chuyển hóa năng lượng cơ năng thành điện năng thông qua máy phát điện Ngoài các nhà máy thủy điện truyền thống, hiện nay còn có các nhà máy sử dụng năng lượng từ thủy triều Thủy điện hiện chiếm khoảng 20% tổng sản lượng điện toàn cầu, đứng thứ hai sau năng lượng hóa thạch Tại Việt Nam, thủy điện đóng vai trò quan trọng, với các nhà máy nổi bật như Hòa Bình, Sơn La và Na Hang (Tuyên Quang).
Hình 1.1 Nhà máy thủy điện Hòa Bình
Thủy điện là nguồn năng lượng sạch và tái tạo, hoạt động với mức thải khí và hóa chất độc hại gần như bằng 0, tận dụng năng lượng tự nhiên Ngoài chi phí vận hành thấp, các nhà máy thủy điện còn có tuổi thọ cao hơn so với các loại nhà máy điện khác Tuy nhiên, việc xây dựng các nhà máy thủy điện quy mô lớn có thể gây ra sự mất cân bằng cho các hệ sinh thái xung quanh.
Việc tạo ra chênh lệch mức nước là điều kiện tiên quyết cho việc xây dựng nhà máy thủy điện (NMTĐ) Do đó, các phương án khác nhau tạo ra chênh lệch mức nước cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phân loại các nhà máy thủy điện.
Nhà máy thủy điện kiểu đập được xây dựng bằng cách tạo ra các đập chắn, với công suất tăng lên theo chiều cao của đập Tuy nhiên, chiều cao này cần được cân nhắc kỹ lưỡng dựa trên các yếu tố kinh tế và an toàn, vì việc xây dựng đập cao có thể dẫn đến ngập lụt ở những khu vực quan trọng NMTĐ kiểu đập thường được xây dựng ở những nơi có dòng chảy dốc lớn, chảy qua thung lũng đồi.
Hình 1.2 Sơ đồ NMTĐ kiểu đập Ưu điểm :
Có thể tạo ra những NMTĐ công suất rất lớn, do có khả năng tận dụng toàn bộ lưu lượng của dòng sông.
Hồ chứa nước đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết nước, giúp tối ưu hóa hoạt động của nhà máy thủy điện (NMTĐ), kiểm soát lũ lụt, phục vụ tưới tiêu và mang lại nhiều lợi ích khác.
Vùng ngập nước có thể ảnh hưởng nhiều đến sinh thái môi trường.
Nhà máy thủy điện kiểu
- Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn: Cột nước của NMTĐ còn có thể tạo ra
Hình 1.3 Sơ đồ NMTĐ kiểu kênh dẫn Ưu điểm :
Vốn đầu tư nhỏ, công suất ổn định.
Không có hồ chứa nước, do đó không có khả năng điều tiết nước và điều chỉnh công suất.
Vồn đầu tư để khắc phục những nhược điểm thường lớn.
Nhà máy thủy điện Đa Nhim, một ví dụ tiêu biểu cho NMTĐ kênh dẫn tại Việt Nam, được xây dựng từ những năm 60 của thế kỷ trước Kênh dẫn nước bao gồm 02 ống kín dài 3 km, vận chuyển nước từ thung lũng trên đỉnh cao nguyên Đà Lạt (hồ Đa Nhim) xuống vùng đất thấp, tạo ra cột nước lớn lên đến 800 m Nhờ vào cột nước ấn tượng này, nhà máy có thể đạt được công suất đáng kể mặc dù chỉ sử dụng lưu lượng nước nhỏ.
Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp là giải pháp tối ưu cho những địa hình thích hợp, cho phép xây dựng kênh dẫn để tạo ra công suất lớn với vốn đầu tư nhỏ Hồ chứa được xây dựng ở vị trí cao, trong khi nhà máy được đặt ở vị trí thấp hơn, giúp tận dụng chênh lệch độ cao để nâng cao công suất Việc sử dụng ống dẫn kín bảo toàn cột áp, cho phép tính cột nước từ mặt hồ đến mức nước hạ lưu phía sau nhà máy Không chỉ mang lại lợi ích kinh tế, nhà máy còn kết hợp các ưu điểm của NMTĐ kiểu đập và kiểu kênh dẫn, như cột nước cao, công suất ổn định và khả năng điều tiết nhờ hồ chứa Nhà máy thủy điện Yaly và Huội Quảng là những ví dụ điển hình cho kiểu nhà máy này tại Việt Nam.
Hình 1.4 Sơ đồ NMTĐ kiểu hỗn hợp
Ngoài các loại nhà máy thủy điện như trên, còn có những nhà máy thủy điện khác như :
Nhà máy thủy điện thủy triều.
Nhà máy thủy điện tích năng.
1.1.2 Giới thiệu chung về hệ thống sản xuất điện năng Điện năng được sản xuất bằng cách chuyển các dạng năng lượng sơ cấp như năng lượng nước (thủy năng), năng lượng nhiệt (nhiệt năng), sức gió , năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân ,…thành năng lượng điện.
Ngoài các nhà máy điện mặt trời, hầu hết các nhà máy điện đều chuyển đổi cơ năng thành điện năng, trong đó nhà máy thủy điện là một ví dụ tiêu biểu Cơ năng cung cấp cho máy phát được gọi là sức kéo, và sức kéo này được sử dụng để quay tuabin của máy phát điện.
Hình 1.5 Quá trình sản xuất điện năng
Nguồn năng lượng sơ cấp là những nguồn năng lượng tự nhiên như than, dầu mỏ, năng lượng gió và năng lượng dòng nước Trong các nhà máy thủy điện, năng lượng dòng nước được sử dụng để quay tua bin máy phát điện Để đạt được điều này, cần xây dựng đập chắn nước hoặc tạo các kênh dẫn nhằm tạo ra thế năng từ nước, từ đó năng lượng dòng nước chảy qua tua bin sẽ làm quay cánh tuabin.
Tua bin là bộ phận chuyển đổi năng lượng sơ cấp thành cơ năng thông qua trục quay Trục quay của tua bin kết nối với trục máy phát, giúp quay roto máy phát để sản xuất điện.
Máy phát điện là thiết bị chính sản xuất điện năng, chuyển đổi cơ năng từ tuabin thành điện năng Trong các nhà máy thủy điện, máy phát điện đồng bộ được sử dụng, với sức điện động phụ thuộc vào tốc độ quay và từ trường kích từ Bộ phận kích từ tạo ra từ trường một chiều trên cuộn dây, và khi có chuyển động giữa từ trường và vòng dây phần ứng, sức điện động cảm ứng sẽ được sinh ra, từ đó tạo ra điện áp ở đầu cực máy phát.
Bộ phận truyền tải : Có nhiệm vụ vận chuyển điện năng phát ra từ đầu cực máy phát đến nơi tiêu thụ.
Nhà máy thủy điện Đồng Nai 5
1.2.1 Giới thiệu chung về nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 Đồng Nai 5 là một trong những nhà máy thủy điện được xây dựng trên sông Đồng Nai Nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 thuộc Công ty Thủy điện Đồng Nai 5– TKV có địa chi tại số 10 Hoàng Văn Thụ, Phường 1, Bảo Lộc tỉnh Lâm Đồng.Nhà máy bao gồm 2 tổ máy với tổng công suất lắp máy là 150 MW Hằng năm nhà máy cung cấp cho hệ thống điện Quốc gia hơn 600 triệu kWh.
Hình 1.6 Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 5
Các giai đoạn phát triển của nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 :
Nhà máy thủy điện Đồng Nai 5, do Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam (TKV) làm chủ đầu tư, được xây dựng trên sông Đồng Nai tại xã Đăk Sin, huyện Đăk R’Lấp, tỉnh Đăk Nông và xã Lộc Bắc, huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng Công trình có tổng mức đầu tư lên đến 6110 tỷ đồng và đã chính thức khởi công vào cuối năm 2012.
Sau 3 năm xây dựng, vào ngày 30/9/2015 và 13/11/2015, nhà máy đã chính thức phát điện với hai tổ máy số 1 và số 2, tổng công suất đạt 150MW, hòa vào lưới điện quốc gia.
Nhà máy cung cấp khoảng 616 triệu kWh điện mỗi năm cho hệ thống điện quốc gia và ngành công nghiệp bauxite – nhôm tại Đăk Nông và Lâm Đồng Dự án không chỉ thúc đẩy phát triển giao thông và cơ sở hạ tầng mà còn góp phần vào sự phát triển kinh tế khu vực Đây là công trình thủy điện đầu tiên do TKV, đơn vị chuyên sản xuất, khai thác than và xây dựng nhà máy nhiệt điện, thực hiện.
1.2.2 Công nghệ nhà máy thủy điện Đồng Nai 5
Hình 1.7 Sơ đồ 01 sợi của nhà máy thủy điện Đồng Nai 5
Nhà máy áp dụng công nghệ tiên tiến với hệ thống điều tốc dựa trên mô hình tuabin-máy phát, cùng với hệ thống máy phát và kích từ sử dụng mô hình máy phát thủy lực.
Hệ thống điều tốc là bộ điều chỉnh tốc độ quay của tuabin, có nhiệm vụ tự động điều chỉnh momen quay bằng cách kiểm soát lượng nước vào tuabin Để thực hiện việc này, cánh hướng nước được sử dụng để điều tiết lượng nước vào tuabin một cách hiệu quả.
Nước từ hồ chứa thượng lưu được dẫn vào hệ thống đường ống áp lực và buồng xoắn, nơi nước được gia tốc với vận tốc lớn, qua cánh hướng nước vào tuabin thủy lực, làm quay tuabin và máy phát điện Trục của tuabin thường được nối thẳng với trục máy phát, từ đó dòng điện được tăng áp qua máy biến áp và dẫn đến trạm phân phối hòa vào lưới điện quốc gia Tuabin thủy lực là bộ phận quan trọng nhất trong nhà máy thủy điện, quyết định công suất của tổ máy thông qua sự thay đổi tốc độ Với cấu trúc phức tạp, tuabin yêu cầu độ bền cao và vận hành ổn định trong thời gian dài, có tuổi thọ vận hành 40 năm, thời gian đại tu 6 năm và trung bình 3000 giờ/năm Trong hệ thống điều tốc, máy điều tốc sơ cấp không chỉ điều chỉnh tốc độ quay của tuabin mà còn tham gia vào quá trình phân bổ công suất tác dụng của các tổ máy trong hệ thống điện.
Bên cạnh các thành phần chính như bộ khuếch đại và Servo Motor điều chỉnh độ mở cánh hướng, còn có những thiết bị phụ quan trọng như cơ cấu hạn chế độ mở cánh hướng nước và cơ cấu giới hạn cột nước, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Máy phát điện : có nhiệm vụ biến đổi cơ năng từ tuabin thành điện năng.
Hiện nay, các nhà máy thủy điện chủ yếu sử dụng máy phát điện đồng bộ 3 pha, có công suất từ vài kW đến hàng nghìn MW và điện áp định mức từ 380V đến 25kV.
Máy phát điện tuabin nước thường hoạt động với tốc độ quay chậm hơn so với máy phát điện tuabin hơi nước Tại các nhà máy thủy điện, tốc độ quay của máy phát điện được điều chỉnh để đảm bảo hiệu suất tối ưu, với công suất định mức và tốc độ quay phù hợp với các tham số của nguồn nước như chiều cao cột nước và lưu lượng dòng chảy.
Do tốc độ quay thấp, số đôi cực của máy phát điện tuabin nước rất nhiều Số đôi cực p quan hệ với tốc độ quay n theo công thức : p`f n
Trong đó fPHz- tần số định mức của lưới điện Việt Nam.
Hình 1.8 Roto của tổ máy phát H2
Hệ thống kích từ có vai trò quan trọng trong việc cung cấp dòng một chiều cho các cuộn dây kích thích của máy phát đồng bộ Để đảm bảo hoạt động ổn định và kinh tế, hệ thống này cần được điều chỉnh bằng tay hoặc tự động, nhằm duy trì chất lượng cao trong mọi tình huống Các thành phần cơ bản của hệ thống kích từ góp phần vào hiệu suất và độ tin cậy của máy phát.
- Bộ xử lý và khuếch đại tín hiệu điều khiển đầu vào
- Bộ biến đổi điện áp đầu cực máy phát.
- Bộ ổn định công suất hệ thống.
- Bộ giới hạn và bảo vệ
Hiệu quả thực hiện nhiệm vụ phụ thuộc vào đặc trưng và thông số của hệ thống kích từ, cùng với kết cấu của thiết bị tự động điều khiển kích từ.
Để đảm bảo cung cấp dòng điện một chiều ổn định cho cuộn dây kích từ của máy phát điện động bộ, cần thiết phải có hệ thống kích từ phù hợp với công suất định mức, thường dao động từ 0.2-0.6% công suất định mức của máy phát điện.
HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 5
Tổng quan về hệ thống điều khiển và giám sát
2.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển giám sát
Các hệ thống giám sát cho phép theo dõi và giám sát dữ liệu của quy trình sản xuất và lắp đặt vật lý Những hệ thống này, được gọi là SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), thu thập, xử lý, phân tích và lưu trữ thông tin, sau đó gửi đến người dùng Nhờ vào SCADA, con người có thể giám sát và điều khiển từ xa, góp phần nâng cao hiệu quả và giảm chi phí nhân công.
Hình 2.9 Hệ thống điều khiển giám sát
Một hệ thống SCADA có các thành phần cơ bản sau :
Giao diện quá trình : Bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành.
Trạm điều khiển giám sát trung tâm : Là một hay nhiều giao diện người -
Hệ thống DCS/SCADA kết hợp phần cứng và phần mềm để thu thập dữ liệu từ nhà máy và truyền thông đến phòng điều khiển trung tâm Qua giao diện HMI trên máy tính, người vận hành có thể quan sát hoạt động của hệ thống, biểu đồ phụ tải của các cụm phụ tải và thực hiện in ấn, gửi báo cáo cho cấp quản lý cao hơn Điều này giúp đưa ra phương án tối ưu hóa hoạt động cho nhà máy.
Hệ thống điều khiển giám sát trong nhà máy công nghiệp bao gồm nhiều cấp quản lý với chức năng cụ thể Hệ thống DCS/SCADA kết hợp phần cứng và phần mềm để tự động hóa quản lý, giám sát và điều khiển các quy trình công nghiệp Điều này không chỉ giúp giảm chi phí nhân lực mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của nhà máy Mô hình của hệ thống điều khiển giám sát được chia thành các cấp khác nhau để tối ưu hóa quy trình.
Cấp hiện trường là cấp thứ nhất trong hệ thống tự động hóa, bao gồm các thiết bị như máy đo, bộ chuyển đổi và cơ cấu chấp hành Những thiết bị này có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ quá trình sản xuất, truyền tải thông tin lên các cấp cao hơn qua hệ thống bus, đồng thời nhận lệnh điều khiển từ các cấp trên.
Cấp điều khiển là cấp thứ hai trong hệ thống, nơi các thiết bị như PLC/RTU thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo, IED và cơ cấu chấp hành Chúng xử lý thông tin, thực hiện các phép tính và chức năng logic, từ đó đưa ra quyết định điều khiển cho cấp thứ nhất Đồng thời, dữ liệu thu thập được cũng được truyền lên cấp cao hơn thông qua các chuẩn truyền thông.
Cấp điều khiển giám sát là cấp thứ ba trong hệ thống, chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu từ RTU/PLC và hiển thị thông tin hệ thống qua màn hình HMI Nơi đây, người vận hành có thể giám sát, tính toán và đánh giá trạng thái hệ thống, cũng như thực hiện các thao tác điều khiển cần thiết Dữ liệu hệ thống được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu, phục vụ cho việc quản lý, phân tích tình trạng hệ thống và ghi lại lịch sử hoạt động, giúp xác định nguyên nhân khi xảy ra sự cố.
Chức năng cơ bản của các cấp của hệ thống điều khiển giám sát :
Thu thập dữ liệu từ xa qua đường truyền số liệu là một phương pháp hiệu quả để ghi nhận thông tin về sản xuất Các số liệu này bao gồm thông tin sản xuất, sự kiện và cảnh báo, được lưu trữ an toàn trong hệ thống cơ sở dữ liệu.
- Điều khiển, giám sát từ xa hoạt động sản xuất của hệ thống.
Thực hiện các dịch vụ truyền số liệu trong hệ thống và bên ngoài, bao gồm việc đọc và ghi dữ liệu lên các thiết bị điều khiển, cũng như gửi phản hồi cho các yêu cầu từ cấp trên.
2.1.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển giám sát.
Cấu trúc phần cứng của hệ thống điều khiển giám sát bao gồm các thành phần chính như hệ thống PC tại phòng điều khiển trung tâm, RTU/PLC tại các trạm xa, thiết bị đo lường, cơ cấu chấp hành và thiết bị truyền thông để kết nối tất cả các thành phần này.
Hình 2.10 Cấu trúc phần cứng của hệ thống SCADA
Hệ thống PC ở phòng điều khiển trung tâm : SCADA Server, SCADA Client
SCADA Server là các máy chủ trong hệ thống giám sát, kết nối trực tiếp với RTU/PLC để thu thập và chia sẻ dữ liệu với các máy Client qua mạng Ethernet Chúng cũng gửi lệnh từ Client đến các bộ điều khiển Do đó, máy chủ thường được sử dụng để cài đặt phần mềm phát triển và thiết lập cấu hình truyền thông cho việc kết nối với thiết bị hiện trường.
PLC và RTU là thiết bị điều khiển quan trọng trong hệ thống điều khiển giám sát, hoạt động như một nút trung gian giữa cấp hiện trường và cấp điều khiển Chúng có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ cảm biến và thiết bị đo, đồng thời điều khiển các cơ cấu chấp hành Những thiết bị này đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống điều khiển giám sát.
Các PLC và RTU từ các nhà sản xuất khác nhau có cấu trúc đa dạng, nhưng nhìn chung, chúng đều bao gồm những thành phần cơ bản như khối xử lý trung tâm (CPU), module kết nối vào/ra (Module IO) và khối truyền thông.
Truyền thông trong hệ thống
Ghép nối thiết bị và trao đổi thông tin là yếu tố cốt lõi trong bất kỳ giải pháp tự động hóa nào Bộ điều khiển cần được kết nối với cảm biến và cơ cấu chấp hành, đồng thời các bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển phân tán cũng phải giao tiếp để phối hợp hiệu quả trong quá trình sản xuất Ở cấp độ cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cần kết nối với các bộ điều khiển để giám sát và theo dõi toàn bộ quy trình sản xuất Hệ thống giao tiếp giữa các cấp trong mô hình phân cấp được thực hiện qua các bus riêng biệt.
Bus trường (fieldbus) là hệ thống bus nối tiếp sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị điều khiển như PC và PLC với các thiết bị chấp hành và thiết bị trường Chức năng chính của bus trường là truyền dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và gửi quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, do đó yêu cầu về tính thời gian thực rất quan trọng, với thời gian phản ứng thường nằm trong khoảng từ 0.1 đến vài mili giây Hiện nay, các hệ thống bus trường phổ biến bao gồm PROFIBUS, ControlNet, CAN, và Modbus.
Bus hệ thống (system bus) là cầu nối cho phép các máy tính điều khiển phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu cho các trạm kỹ thuật và quan sát, đồng thời nhận lệnh và tham số điều khiển từ các cấp trên Hệ thống này cũng cho phép kết nối với máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu Sự khác biệt giữa bus trường và bus hệ thống không nằm ở giao thức mà ở mục đích sử dụng và thiết bị kết nối Cùng một giao thức có thể được sử dụng cho cả hai loại bus Để đáp ứng yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối với nhiều loại máy tính, hầu hết các bus hệ thống phổ biến hiện nay đều dựa trên Ethernet.
Hệ thống giám sát và điều khiển của nhà máy thủy điện Đồng Nai 5
Hệ thống điều khiển của nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 là một hệ thống điều khiển tích hợp tiêu chuẩn, cho phép giám sát và điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm Để giảm thiểu sự phụ thuộc giữa các thành phần, nhà máy áp dụng phương pháp điều khiển phân tán (Distributed Control System), trong đó mỗi thiết bị điều khiển đảm nhận một chức năng riêng nhưng vẫn có khả năng kết nối với máy tính tại các trạm xử lý khác và máy tính trung tâm thông qua một mô hình mạng Mỗi trạm điều khiển được xác định bằng một địa chỉ trên mạng.
Hệ thống DCS/SCADA tại nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 do HydroChina HuaDong Engineering Corporation thiết kế, dựa trên nền tảng tự động hóa thủy điện SD8000 SD8000 mang đến giải pháp toàn diện cho tự động hóa thủy điện thứ cấp, bao gồm phần mềm ứng dụng, hệ thống điều khiển cục bộ, hệ thống bảo vệ và hệ thống truyền thông liên lạc.
Các thành phần chính trong hệ DCS/SCADA của nhà máy thủy điện Đồng Nai 5:
- Hệ thống tủ LCU đặt tại phòng điều khiển trung tâm giúp người vận hành giám sát và điều khiển tại chỗ.
- Thiết bị đầu cuối RTU thu thập dữ liệu của hệ thống.
- Hệ thống máy tính trạm vận hành : Giúp người vận hành giám sát điều khiển toàn bộ hoạt động của nhà máy.
- Máy tính Gateway kết nối thông tin nhà máy với trung tâm điều độ A0/A3 qua giao thức IEC 60870-5-104
- Máy tính công nghiệp và hệ thống Server lưu trữ dữ liệu nhà máy
- Hệ thống mạng LAN (bao gồm đường chính và đường dự phòng cho hệ thống).
- Thiết bị đồng bộ GPS giúp đồng bộ thời gian giữa các trạm và trung tâm điều độ.
Hệ thống SCADA của nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 được cấu thành từ ba phần chính: cấp hiện trường với các thiết bị nhất thứ, cấp điều khiển và cấp vận hành giám sát tại phòng điều khiển trung tâm.
Cấp hiện trường và các thiết bị nhất thứ :
Bao gồm các thiết bị:
Máy cắt (CB) là thiết bị quan trọng dùng để đóng ngắt mạch điện cao áp trong trạng thái làm việc bình thường Nó cũng có khả năng tự động ngắt mạch điện nhanh chóng khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch hoặc quá tải, giúp bảo vệ an toàn cho hệ thống điện.
- Dao cách ly: là khí cụ điện để đóng mở không có điện hay dòng điện rất nhỏ, để tạo thành các khoảng trống cách điện rõ ràng.
Máy biến dòng và máy biến áp đo lường đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho các thiết bị đo lường và rơ le bảo vệ Chúng giúp cách ly mạch đo lường và rơ le điện áp thấp khỏi điện áp cao của lưới điện, đảm bảo an toàn và chính xác trong quá trình vận hành.
Chống sét có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ đường dây điện và các thiết bị động lực khỏi hiện tượng quá điện áp do hệ thống hoặc quá điện áp khí quyển gây ra.
- Thanh cái : Là nơi tập trung chuyển suất điện áp từ hệ thống máy phát lên lưới điện đến các hộ tiêu thụ.
Máy biến áp là thiết bị điện từ hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, có chức năng biến đổi điện áp của hệ thống điện xoay chiều từ cao xuống thấp và ngược lại mà không làm thay đổi tần số Công suất của máy biến áp được thiết kế để đáp ứng tối đa nhu cầu tải, đồng thời truyền thông tin về trung tâm điều khiển và nhận lệnh để điều khiển các thiết bị chấp hành.
Rơ le bảo vệ có khả năng điều khiển trực tiếp khi thiết bị gặp sự cố, giúp đảm bảo an toàn cho hệ thống Những rơ le này có thể tự động tính toán và tác động dựa trên các thông số đã được cài đặt trước mà không cần phải liên lạc với hệ thống cấp trên.
Các thiết bị đo lường như cảm biến, đồng hồ đo thông minh và bộ chuyển đổi tín hiệu (Transducer) đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu và thông số từ các thiết bị chấp hành.
Cấp vận hành giám sát tại nhà máy :
Bao gồm hệ thống các máy chủ, màn hình giao diện HMI( Human- Machine Interface) có các chức năng cơ bản sau :
- Thu thập số liệu các thanh cái của trạm bao gồm các thống số (U,I,P,Q,
…) của các phần tử và trạng thái của các thiết bị trong trạm (chủ yếu là trạng thái máy cắt, trạng thái dao cách ly, điện áp thanh cái ,…)
Thực hiện các lệnh từ người điều hành hệ thống và nhân viên trực trạm là nhiệm vụ chính, bao gồm việc đóng cắt máy cắt và điều chỉnh công suất theo yêu cầu.
- Cung cấp giao tiếp người- máy với người vận hành để giám sát, thu thập dữ liệu, điều khiển, quản lý hệ thống.
- Ghi nhận, quản lý các sự kiện lịch sử vận hành trạm, lịch sử các báo động, sự cố, lưu trữ các quá trình thao tác.
- Quản lý cơ sở dữ liệu để in báo cáo khi cần.
- Truyền tin trong hệ thống ổn đinh.
2.2.2 Các vấn đề còn tồn tại của hệ thống điều khiển giám sát.
Nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 sở hữu hệ thống điều khiển giám sát tích hợp, quản lý toàn bộ thông tin từ thiết bị công nghệ, năng lượng, thiết bị điện, trạm biến áp đầu ra cho đến các hệ thống phụ trợ, nhằm nâng cao hiệu quả giám sát và điều khiển tại chỗ.
Hình 2.15 Khảo sát tại Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 5
Nhà máy sử dụng phần mềm hệ thống điều khiển giám sát trên máy tính với hệ điều hành Windows Server 2008, nhưng do hệ điều hành này đã ngừng được Microsoft hỗ trợ, việc nâng cấp phần mềm sẽ gặp nhiều khó khăn.
Hệ thống DCS/SCADA của nhà máy được tích hợp theo tiêu chuẩn, nhưng do được thiết kế và cung cấp bởi công ty HydroChina HuaDong Engineering Corporation, hệ thống này ít gặp tại Việt Nam Các thành phần như thiết bị điều khiển PLC và hệ thống rơ le bảo vệ hoạt động theo tiêu chuẩn của Trung Quốc, gây khó khăn trong việc nâng cấp, mở rộng và thay đổi hệ thống.
Qua khảo sát thực tế tại nhà máy, tôi nhận thấy một số tín hiệu bị mất do quá trình vận hành kéo dài Để đáp ứng yêu cầu bổ sung từ trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia về hệ thống điều khiển tự động tăng giảm công suất (AGC), tôi đã lập danh sách các tín hiệu cần thiết để hỗ trợ cho nhà máy.
- Thông số điện áp, dòng điện, công suất phản kháng, công suất tác dụng,
- Giới hạn điều chỉnh công suất MVAR trên (MVAR).
- Giới hạn điều chỉnh công suất MVAR dưới (MVAR).
- Nhận các tín hiệu điện áp đầu cực.
Tổng kết : Những vấn đề còn tồn tại của hệ thống điều khiển và giám sát của nhà máy :
- Các thành phần trong hệ thống điều khiển giám sát hoạt động theo chuẩn của Trung Quốc nên khó nâng cấp, mở rộng.
- Quá trình hoạt động lâu năm nên một số tín hiệu đo lường bị sai sót khiến việc giám sát từ xa không được chính xác.
Cần bổ sung các tín hiệu điều khiển để tăng giảm công suất từ xa và các tín hiệu trạng thái của máy cắt đầu cực, nhằm đáp ứng yêu cầu của trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia.
2.2.3 Đề xuất cải tiến, hoàn thiện hệ thống.
2.2.3.1 Giải pháp 1: Can thiệp vào hệ thống DCS của nhà máy
HOÀN THIỆN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
Yêu cầu của hệ thống bổ trợ
3.1.1 Yêu cầu chung của hệ thống
Yêu cầu của hệ thống được đặt ra như sau :
- Các thiết bị phần mềm phải có khả năng tương thích trên nhiều hệ thống, thiết bị được cung cấp bởi nhiều đơn vị sản xuất khác nhau.
Thời gian đáp ứng cho tín hiệu trạng thái 2 bit và 1 bit là 10 ms, trong khi tín hiệu đo lường có thời gian đáp ứng là 2 giây Sai số đo lường không được vượt quá 1% trên toàn dải đo, và độ trễ của tín hiệu không được vượt quá 4 giây.
Các thay đổi trạng thái cần được ghi nhận với thông tin thời gian đầy đủ, bao gồm năm, tháng, ngày, giờ, phút, giây và mili giây, nhằm đảm bảo tính chính xác trong việc phản ánh thời gian thay đổi.
Để đảm bảo tính liên tục trong việc giám sát, cần trang bị bộ nhớ trung gian có dung lượng lớn, đủ để lưu trữ dữ liệu về các thay đổi trạng thái phòng trường hợp mất kết nối giữa nhà máy và trung tâm điều độ trong ít nhất 10 ngày Sau khi kết nối được khôi phục, các thông tin này sẽ được truyền về trung tâm điều độ.
- Các mạch đo lường của hệ thống SCADA phải dùng chung mạch TU,
TI với mạch đo lường của trạm.
- Bộ xử lý chủ : Bộ xử lý chủ phải dựa trên các chuẩn công nghiệp và khả năng liên kết mạng mạnh như Ethernet, TCP/IP, UNIX, Window 7,
Để đạt được hiệu suất tối ưu, hệ thống cần có điểm số từ 8 trở lên và cấu trúc mở, không bị giới hạn bởi các giao tiếp hoặc sản phẩm độc quyền Đồng thời, khả năng truy vấn ngôn ngữ (SQL) và tính toán trên toàn doanh nghiệp cũng phải được hỗ trợ đầy đủ.
Giao diện người dùng trong hệ thống cần được thiết kế trực quan để đảm bảo hiệu quả vận hành và tránh nhầm lẫn Màn hình hiển thị phải bao gồm sơ đồ 01 sợi của hệ thống cùng với các tín hiệu trạng thái của máy cắt, dao cách ly và giá trị đo lường của các tổ máy Ngoài ra, cần hiển thị danh sách tín hiệu rơ le bảo vệ cho các tổ máy và máy biến áp, bao gồm tín hiệu Trip và tín hiệu Alarm.
- Gateway : Cổng truyền thông chuẩn, cho phép giao tiếp, truy vấn và điều khiển ngược các dữ liệu từ hệ thống tại nhà máy.
Hệ thống sau khi bổ sung, hoàn thiện bên cạnh cơ sở vật chất đang có tại nhà máy thì sẽ bao gồm các thành phần sau :
Một máy tính engineer có chức năng cấu hình, lập trình, sửa đổi chương trình,
Bốn màn hình vận hành giám sát tương ứng với bốn trang HMI :
- Màn hình giám sát và điều khiển phía trạm 220kV.
- Màn hình điều khiển tổ máy H1
- Màn hình giám sát tín hiệu đo lường và tín hiệu 1 bit.
Thiết bị điều khiển PLC được sử dụng để quản lý hệ thống và thu thập tín hiệu cho nhà máy Các thiết bị đo lường và chuyển đổi tín hiệu như Transmitter và Transducer được kết nối trực tiếp với máy tính của kỹ sư.
Hệ thống này được bổ sung các chức năng :
Tăng giảm công suất hữu dụng, công suất phản kháng, điện áp đầu cực.
Các khóa điều khiển riêng từng tổ máy.
Giám sát các tín hiệu cảnh báo sự cố Trip, Alarm.
Giám sát tăng giảm công suất của từng tổ máy theo thời gian (Có đồ thị thời gian thực và đồ thị lịch sử).
Giám sát các giá trị đo lường vận hành từng tổ máy, đường dây
3.1.2 Yêu cầu đối với thiết bị điều khiển
Khi lựa chọn thiết bị điều khiển cho hệ thống điều khiển và giám sát của nhà máy thủy điện Đồng Nai 5, cần lưu ý các yêu cầu quan trọng như độ tin cậy, khả năng tương thích với hệ thống hiện tại, và hiệu suất hoạt động tối ưu.
Bộ vi xử lý : 16 bit
Bộ chuyển đổi tương tự số ADC : 12 bit
Mức độ dự phòng cho tín hiệu vào/ra : ít nhất là 20 % cho mỗi loại tín hiệu.
Nguồn điện cấp cho thiết bị điều khiển phải đảm bảo khi hệ thống điện tự dùng của trạm bị mất.
Có khả năng giao tiếp với hệ thống rơ le bảo vệ tại các tổ máy, máy biến áp, và các thiết bị điện tử thông minh IED.
Có khả năng ghi lại các sự kiện xảy ra và đồng bộ với thời gian của trung tâm điều độ.
Kết nối với các Remote IO để điều khiển phân tán trong nhà máy.
Có các giao thức truyền thông : IEC 60870-5-101/104, Modbus TCP/IP, Profibus ,…
Bộ cơ sở dữ liệu của thiết bị cần có dung lượng lớn để lưu trữ dữ liệu truyền và nhận giữa nhà máy và trung tâm điều độ, nhằm đảm bảo an toàn và phòng ngừa sự cố xảy ra.
Hệ thống có khả năng tự kiểm tra và giám sát, cung cấp cảnh báo tại chỗ và gửi thông tin về trung tâm điều khiển khi xảy ra sự cố Tín hiệu 01 bit được sử dụng để truyền tải các cảnh báo và tín hiệu từ rơ le bảo vệ Tại các trạm, các tủ rơ le được cấu hình sẵn với các thông số cảnh báo định mức cho các đại lượng như dòng điện, điện áp và công suất Khi các đại lượng này vượt quá mức cho phép, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo cho người vận hành, trong khi các rơ le bảo vệ sẽ thực hiện các tín hiệu ngắt nhằm bảo vệ thiết bị khỏi hỏng hóc.
Giá trị đo lường được biến đổi qua TU và TI, sau đó được đọc bởi các Transducer để xuất ra tín hiệu gửi về PLC/RTU, như tín hiệu 4-20 mA hoặc qua giao thức Modbus Đối với thanh cái, các giá trị cần đo bao gồm tần số (Hz) và điện áp (kV) Đối với máy biến áp, các thông số quan trọng là công suất tác dụng (MW), công suất phản kháng (Mvar) và cường độ dòng điện (A) ở các cấp khác nhau Còn đối với tổ máy phát, cần theo dõi công suất tác dụng (MW), công suất phản kháng (Mvar), cường độ dòng điện (A), điện áp (kV) và tần số (Hz).
3.1.4 Yêu cầu đối với bộ điến đổi (Transducer)
Nếu là loại không lập trình được, các giá trị thiết lập sẵn cần phải tương thích với các giá trị đo lường TU, TI và các đầu vào/ra của PLC.
Nếu là loại lập trình được, nhà cung cấp cần đảm bảo khả năng thiết lập lại cấu hình theo yêu cầu thực tế hoặc cung cấp phần mềm giao diện để thực hiện lập trình hiệu quả.
Khuyến nghị sử dụng các loại Transducer lập trình được nhằm đảm bảo tính linh hoạt trong việc điều chỉnh tương thích với sự thay đổi giá trị của TU và TI tại trạm.
Thiết kế hệ thống
3.2.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển cho hệ thống
Hệ thống điều khiển giám sát nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 bao gồm các thiết bị bổ trợ hoạt động, hỗ trợ hiệu quả cho các thiết bị hiện có của nhà máy Các thành phần trong hệ thống bổ trợ này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và đảm bảo an toàn cho quá trình vận hành.
Phần mềm điều khiển giám sát đặt tại phòng điều khiển trung tâm, đóng vai trò như là Gateway và HMI giám sát hoạt động của hệ thống.
Thiết bị điều khiển bao gồm Module CPU và các Module Digital Input và Module Digital Output thu thập dữ liệu còn thiếu từ nhà máy.
Các Transducer thu thập dữ liệu đo lường của 02 tổ máy gửi về thiết bị điều khiển.
Hình 3.18 Sơ đồ tổng quan hệ thống
Trong thực tế, có nhiều bộ điều khiển mạnh từ các thương hiệu nổi tiếng như Siemens, Mitsubishi, Omron, Schneider và Beckhoff Tuy nhiên, để chọn thiết bị điều khiển cho hệ thống bổ trợ, cần đảm bảo rằng nó đáp ứng các yêu cầu của EVN Dưới đây là bảng so sánh các thông số kỹ thuật của hai dòng PLC mạnh mẽ từ hai hãng nổi tiếng là ABB và Siemens.
Bảng 3.1 Bảng so sánh các tính năng của thiết bị điều khiển
STT Yêu cầu với thiết bị điều khiển
S7-1200 PLC AC700F Đáp ứng Không đáp ứng Đáp ứng Không đáp ứng
1 Bộ vi xử lý ít nhất 16 bit
Bộ biến đổi tương tự/số
ADC 12bit (11bit+1bit dấu)
3 Giao thức truyền tin với trung tâm điều độ
4 Giao tiếp với rơ-le bảo vệ và các thiết bị điện tử thông minh (IED)
5 Thời gian cập nhật thông tin, tín hiệu nhanh
6 Đồng bộ thời gian, có khả năng ghi lại sự kiện
7 Kết nối với các Remote
IO để điều khiển phân tán trong nhà máy
8 Có hệ thống dự phòng, xử lý lỗi nhanh
PLC AC 700F của hãng ABB là một thiết bị mạnh mẽ, hỗ trợ đầy đủ các giao thức truyền thông như IEC 101/104, Modbus TCP/RTU và OPC Thiết bị này đáp ứng các yêu cầu cần thiết cho hệ thống điều khiển, do đó, trong đồ án này, tôi đã chọn PLC AC 700F làm bộ điều khiển và thiết bị RTU để thu thập và truyền dữ liệu.
Hình 3.19 Bộ điều khiển AC 700F
AC700F là dòng PLC mạnh mẽ của ABB, được ứng dụng hiệu quả trong hệ thống tự động hóa nhà máy Nó đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển phân tán Freelance của ABB, phục vụ cho các ứng dụng điều khiển quá trình, kết hợp ưu điểm vượt trội của DCS và PLC.
Bộ điều khiển AC700F cho phép kết nối với Module I/O S700 qua cắm trực tiếp vào Module CPU hoặc điều khiển từ xa qua Profibus, với khả năng kết nối tối đa tám Module Ngoài ra, các I/O bên thứ ba có thể được kết nối thông qua bus nối tiếp Modbus ASCII/RTU hoặc Profibus AC700F hiện cung cấp khả năng linh hoạt mở rộng thông qua một thẻ.
SD có thể cắm được để sao lưu bộ điều khiển và cập nhật firmware.
Hình 3.21 Mức cấu hình nhỏ nhất của trạm xử lý AC 700F
Trạm xử lý cơ bản có khả năng mở rộng với tối đa 8 Module I/O trực tiếp, được kết nối từ bên phải Mỗi Module I/O sẽ có một thiết bị đầu cuối I/O mới, và các Module này có thể được kết hợp tùy ý, nhưng không được tháo dỡ các thiết bị đầu cuối giữa các Module riêng lẻ Thiết bị đầu cuối CPU và Mô-đun CPU luôn được đặt ở bên trái của hệ thống, trong khi chỉ có PROFIBUS-Module CM 772F hoặc Dummy Module Coupler TA 724 có thể được cắm vào bên trái của Module CPU.
Hình 3.22 Mức cấu hình cao nhất của trạm xử lý AC 700F
3.2.1.2 Giới thiệu phần mềm Control Builder F
Control Builder F là phần mềm lập trình cho các bộ điều khiển AC700F và AC800F trong hệ thống Freelance của ABB, cung cấp nhiều tính năng hỗ trợ hiệu quả trong quá trình lập trình và quản lý hệ thống tự động hóa.
Cấu hình phần cứng cho các dòng PLC AC700F và AC800F được thực hiện theo yêu cầu cụ thể của từng dự án, bao gồm việc thiết lập cấu hình cho các CPU, các Module IO tập trung và phân tán, cùng với cấu hình truyền thông giữa PLC và các thiết bị khác.
- Tính năng lập trình PLC: hỗ trợ 5 ngôn ngữ lập trình chuẩn IEC 61131-1 (ST, FBD, IL, LD, SFC).
- Có khả năng quản lý một số lượng biến quá trình lớn.
- Cho phép người dùng tham khảo tài liệu phần mềm trực tuyến dễ dàng.
- Cho phép online thiết bị và gỡ lỗi chương trình khi cần thiết.
Giao diện đồ họa thân thiện với người dùng không chỉ hiển thị các chương trình mà còn cung cấp cái nhìn tổng quan về phần cứng, giúp người đọc dễ dàng hiểu rõ hơn về hệ thống của mình.
Hình 3.23 Cấu hình phần cứng cho thiết bị
Hình 3.24 Quản lý số lượng lớn biến quá trình
Hình 3.25 Lập trình ngôn ngữ FBD cho PLC
Hệ AC 700F kết nối với PC qua giao thức LAN và liên kết với Module S700 thông qua cắm trực tiếp hoặc điều khiển từ xa qua Profibus Các tủ LCU của hai tổ máy được bố trí gần nhau, vì vậy tôi đã chọn các Module IO cắm trực tiếp với Module CPU của PLC AC 700F Hệ thống bao gồm các thiết bị được lựa chọn phù hợp.
PM 783F : Module CPU với 8MB SDRAM và 4MB FLASH ROM, hoạt động với nguồn 24 VDC.
DC 732F: Module I/O hỗ trợ lên tới 16 đầu vào số và 16 đầu ra số
3.2.1.4 Ghép nối tín hiệu với Module S700
Ghép nối đầu vào, ra tín hiệu số với Module DC 732F, sử dụng rơ le trung gian để cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực.
Hình 3.26 Sơ đồ ghép nối tín hiệu DI, DO với Module DC 732F
Transducer là thiết bị chuyển đổi các đại lượng như dòng, áp suất, công suất vô công và công suất hữu công thành tín hiệu điện với thang chuẩn hóa 0-20mA hoặc 4-20mA Các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường và giám sát các thông số cần thiết trong nhiều ứng dụng kỹ thuật.
Các dòng điện đầu ra từ các Transducer được kết nối với Module AI của PLC Tuy nhiên, do số lượng đại lượng cần đo lớn, việc sử dụng nhiều đầu ra 4-20 mA trở nên khó khăn Hơn nữa, trong bối cảnh chuyển đổi số hiện nay, việc áp dụng các giao thức truyền thông để truyền dữ liệu sẽ là giải pháp tối ưu hơn.
Hình 3.27 Đồng hồ đa chức năng Elite 440
Trong quá trình vận hành nhà máy lâu năm, một số tín hiệu đo lường, bao gồm thông số điện của hai tổ máy phát, đã bị mất Để khắc phục tình trạng này, phương án thay thế Transducer cũ bằng Transducer mới được đề xuất Trong đồ án, tôi đã lựa chọn đồng hồ đa chức năng Elite 440 để đo thông số của hai tổ máy, với nhiều ưu điểm nổi bật.
Có màn hình hiển thị, giúp hiển thị thông số thay thế đồng hồ chỉ thị tại mặt tủ.
Có nhiều chế độ khác nhau, Elite có thể linh hoạt đo thông số phụ tải.
Elite 440 hỗ trợ truyền thông qua RS-485, LAN,… truyền dữ liệu về thiết bị điều khiển thông qua các giao thức công nghiệp.
Có thể được cấu hình bằng phần mềm hoặc bằng các nút bấm trên bảng điều khiển phía trước.
Từ những ưu điểm đã nêu, Elite 440 là sự lựa chọn thích hợp thay thế các Transducer cũ ở nhà máy.
Bảng 3.2 Thông số thiết bị đo Elite 440
Power Supply 80-300 V AC or 24-60 V DC
Baud rate 1200-38400 bps (default 9600 bps)
3.2.3 Tính toán số lượng Module I/O, đồng hồ đo Elite 440
Bảng 3.3 Danh mục điểm đo lường và điều khiển cần bổ sung
Máy biến áp là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, bao gồm nhiều loại như máy biến áp 220 kV số 1 và số 2, máy biến áp tự dùng 110 kV số 1 và số 2 Các ngăn lộ bao gồm ngăn lộ 901, 902, 941, 942, và tổng cộng có 22 ngăn lộ 220 kV T1 và T2 Hệ thống còn có các ngăn lộ xuất tuyền 220 kV và 220 kV khác nhau, phục vụ cho việc phân phối điện năng hiệu quả Common Reservoir Tailrace cũng là một phần quan trọng trong cấu trúc hệ thống này.
Ngăn lộ T 1 T 2 90 1 90 2 94 1 94 2 H 1 H 2 C 21 C 22 T D 91 T D 92 23 1 23 2 27 1 27 2 27 3 27 4 C O M R es er vi or T ai lr ac e Đo lường
2 V 6 Điện áp (Uab,Ubc,Uca) 3 3
3 A 6 Dòng điện (Ia,Ib,Ic) 3 3
4 MW 2 Công suất tác dụng 1 1
5 MVAr 2 Công suất phản kháng 1 1
Tổng tín hiệu đo lường 18 TOTAL PER BAY : 0 0 0 0 0 0 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 Low Oil Level 1 -Trip 2 Mức dầu thấp tác động 1 1
2 Low Oil Level 2 -Alarm 2 Mức dầu thấp cảnh báo 1 1
3 Oil Temperature – Alarm 2 Nhiệt độ dầu MBA cảnh báo 1 1
4 High Oil Level-Alarm 2 Mức dầu cao cảnh báo 1 1
5 Wind Temperature Level 1-Trip 2 Nhiệt độ gió MBA tác động 1 1
6 Wind Temperature Level 2-Alarm 2 Nhiệt độ gió MBA cảnh báo 1 1
Tổng tín hiệu input (1 bit ) 12 TOTAL PER BAY : 6 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 OPEN/CLOSE CB 2 Đóng cắt máy cắt 1 1
2 OPEN/CLOSE DS 2 Đóng cắt dao cách ly 1 1
3 OPEN/CLOSE ES 4 Đóng cắt tiếp địa 2 2
Tổng tín hiệu input (2 bit ) 8 TOTAL PER BAY : 0 0 4 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 P LOCAL/REMOTE 2 Điều khiển công suất tác dụng tại chỗ / từ xa 1 1
2 Q LOCAL/REMOTE 2 Điều khiển công suất phản kháng tại chỗ / từ xa 1 1
3 U LOCAL/REMOTE 2 Điều khiển điện áp kích từ tại chỗ / từ xa 1 1
4 P UPPER 2 Tăng công suất tác dụng 1 1
5 P LOWER 2 Giảm công suất tác dụng 1 1
Để đáp ứng yêu cầu đo lường và điều khiển cho nhà máy, cũng như nhu cầu dự phòng I/O, tôi đã thực hiện tính toán và đưa ra bảng số lượng Module I/O cần thiết cho nhà máy.
Bảng 3.4 Tính toán số lượng Module cho 02 tổ máy
Tổng số Module và Transducer là 3 Module DC 732F và 2 Transducer Elite 440.
3.2.4 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.28 Sơ đồ khối hệ thống sau khi hoàn thiện
THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO HỆ THỐNG BỔ TRỢ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
Lập trình cho thiết bị điều khiển
The PLC AC 700F supports five programming languages in accordance with IEC 61131-1 standards: Structured Text (ST), Function Block Diagram (FBD), Ladder Diagram (LD), Sequential Function Chart (SFC), and Instruction List (IL) For my project, I utilized the FBD (Function Block Diagram) programming language, known for its simplicity and high visual clarity, to program the PLC effectively.
Cấu hình phần cứng cho PLC trong Control Buider F gồm có:
1 Module CPU PM 783F để lập trình và cấu hình các giao thức truyền thông cho bộ điều khiển
3 Module DC 732F với mỗi Module bao gồm 16 chân input, 16 chân output giúp thu thập các tín hiệu trạng thái của thiết bị cũng như các tín hiệu điều khiển.
Hình 4.30 Lập trình PLC cho hệ thống
Các Module chương trình điều khiển của PLC bao gồm :
- Chương trình thu thập các tín hiệu Single point bao gồm các tín hiệu cảnh báo và tác động.
- Chương trình thu thập các tín hiệu Double point bao gồm các tín hiệu trạng thái của máy cắt, dao cách ly, tiếp địa.
- Chương trình điều khiển công suất 2 tổ máy H1,H2.
Thiết kế màn hình điều khiển giám sát (HMI) cho hệ thống
4.3.1 Yêu cầu đối với phần mềm HMI của nhà máy
Giao diện màn hình điều khiển giám sát (HMI) cần phải được thiết kế một cách trực quan và thuận tiện, nhằm đảm bảo dễ dàng quản lý và giám sát Đặc biệt, giao diện này phải cho phép người dùng điều khiển một cách an toàn và đáng tin cậy.
Hệ thống yêu cầu giao diện sử dụng phải hiển thị toàn bộ giám sát điều khiển trên màn hình trung tâm và các trang phụ Giao diện cần thể hiện trạng thái của nhà máy, bao gồm trạng thái máy cắt, dao cách ly và dao tiếp địa thông qua việc thay đổi màu sắc tương ứng Ngoài ra, cần hiển thị các tham số giám sát như công suất, điện áp, dòng điện và mức nước Hệ thống cũng phải cung cấp thông báo, chú thích và lịch sử dữ liệu Cuối cùng, giao diện cần có các faceplate điều khiển cho máy cắt, dao cách ly, cũng như cho phép đặt Setpoint cho các tổ máy.
Dựa trên yêu cầu về hệ thống điều khiển giám sát của nhà máy và tập đoàn điện lực Việt Nam, tôi đã chọn phần mềm SCADA iControl của hãng iGrid Phần mềm này có khả năng thích ứng với nhiều ứng dụng khác nhau, từ các trạm biến áp nhỏ đến các nhà máy điện lớn.
4.3.2 Giới thiệu phần mềm SCADA iControl
Tự động hóa lưới điện cần hệ thống SCADA để kiểm soát và quản lý mạng lưới hiệu quả Hệ thống SCADA của iControl không chỉ đảm bảo an toàn cho từng cơ sở mà còn quản lý hàng ngàn thiết bị và nhiều giao thức hoạt động đồng thời.
Hình 4.31 Phần mềm HMI iControl iControl được thiết kế đặc biệt cho ngành năng lượng, với một giao diện
Các tính năng nổi bật của phần mềm iControl :
Phần mềm này được phát triển với các tính năng tối ưu cho các dự án điều khiển năng lượng, đảm bảo hiệu suất cao, an toàn và dễ sử dụng.
Hình 4.32 Giao diện màn hình giám sát
Phần mềm iControl nổi bật với tính linh hoạt, cho phép kết nối hiệu quả với nhiều hệ thống khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp Bên cạnh đó, iControl còn cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu SQL nhanh chóng và thuận tiện, đáp ứng nhu cầu quản lý dữ liệu hiện đại.
Hình 4.33 Chức năng lưu trữ SQL
Hệ thống hỗ trợ đa dạng các giao thức truyền thông công nghiệp như Modbus và IEC 61850, đồng thời tích hợp các giao thức giao tiếp với trung tâm điều khiển như IEC 60870-5-101/104, DNP3.0 và OPC UA.
Tính năng Trending cung cấp khả năng hiển thị dữ liệu theo thời gian thực hoặc dữ liệu lịch sử dưới dạng đồ thị, giúp người vận hành dễ dàng quan sát Nó cho phép hiển thị trực quan các giá trị tham số theo thời gian thực, với các màu sắc riêng biệt cho từng tham số, mang lại trải nghiệm trực quan và hiệu quả.
- Ngoài ra còn có tính năng iControl Web Viewer, giúp có thể quản lý hệ thống từ xa trong thời gian thực trên internet.
4.3.3 Cấu hình và lập trình điều khiển trên phần mềm iConf iConf là công cụ lập trình cho các dòng RTU của hãng iGrid và là công cụ
- Download và upload chương trình từ RTU.
- iConf hỗ trợ của sổ Console giúp cho việc kiểm tra truyền nhận tín hiệu của RTU.
Các bước cấu hình trên phần mềm iControl:
Hình 4.36 Chọn loại phần cứng (iControl)
Khai báo truyền thông cho từng thiết bị kết nối
Hình 4.37 Khai báo truyền thông cho từng thiết bị
- TCP/IP: Nhận các tín hiệu bổ sung từ AC700F, dữ liệu DCS của nhà máy và gửi đi trung tâm điều độ A0, A3 theo giao thức IEC 60870-5-104.
- COM 3 : Nhận dữ liệu đo lường từ các Transducer Elite 440 theo giao thức truyền thông Modbus RTU.
Thêm tag-name và địa chỉ của từng biến
Hình 4.38 Khai báo địa chỉ của các tag
Lập trình điều khiển PLC cho thiết bị
Ngôn ngữ lập trình FBD (Function Block Diagram) cho phép người dùng thiết lập cảnh báo sự kiện và tạo các faceplate để điều khiển từng đối tượng trong hệ thống Để bắt đầu, người dùng cần đăng nhập vào hệ thống.
Khi khởi động phần mềm, người dùng cần đăng nhập vào hệ thống Quyền truy cập và khả năng điều khiển, chỉnh sửa hệ thống sẽ phụ thuộc vào phân quyền của người sử dụng.
Hình 4.40 Màn hình đăng nhập vào hệ thống
Giao diện tổng quan hệ thống
Tại trang giao diện này có thể giám sát, điều khiển:
- Trạng thái của các thiết bị như máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa,…trong toàn nhà máy thông qua màu sắc.
- Hiển thị trạng thái có điện hay không điện của các đường dây.
- Hiển thị các thông số đo lường (P, Q, U, I).
Hình 4.41 Giao diện tổng quan
Giao diện giám sát điều khiển công suất các tổ máy:
Tại trang giao diện này có thể giám sát, điều khiển:
- Các khóa điều khiển để chuyển quyền điều khiển theo các cấp vận hành khác nhau.
- Hiển thị các trạng thái đường truyền.
- Giá trị công suất và công suất phản kháng của từng tổ máy.
- Giới hạn trên dưới của công suất và công suất phản kháng.
- Giá trị đặt của công suất và công suất phản kháng.
- Hiển thị các giá trị của điện áp đầu cực được đặt bởi A0,A3
Giao diện giám sát trạng thái các tín hiệu rơ le bảo vệ :
Tại trang giao diện này, người vận hành có thể giám sát :
- Trạng thái của các tín hiệu rơ le bảo vệ.
- Thông số đo lường của 2 tổ máy và các tín hiệu 01 bit bổ sung.
Hình 4.43 Màn hình hiển thị tín hiệu relay bảo vệ
Hình 4.44 Dữ liệu truy xuất trên iControl
Khi cần có thể truy xuất dữ liệu trực tiếp để tạo ra các báo cáo.
Hình 4.45 Giao diện đồ thị giám sát công suất 02 tổ máy
Hình 4.46 Mô phỏng hệ thống tại phòng thí nghiệm
Sau 15 tuần thực hiện đồ án tốt nghiệp, được sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật Đo và Tin học công nghiệp, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo: TS Nguyễn Đăng Ninh và sự giúp đỡ của các bạn trong ngành Em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với sự cố gắng nhất có thể.
Hệ thống điều khiển và giám sát nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 đã được hoàn thiện với thiết kế phần cứng dựa trên bộ điều khiển AC 700F Quá trình lập trình và mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm iConf và Freelance, đồng thời giao diện điều khiển và giám sát HMI được thiết kế thông qua phần mềm iControl.
Hệ thống đã đáp ứng được những tính năng sau:
Hiển thị giao diện điều khiển giám sát HMI:
- Hiển thị trạng thái và sự thay đổi trạng thái của các thiết bị trong trạm.
- Hiển thị dữ liệu đo lường điện (U, I, P, Q, F, …) của các vị trí trong trạm.
Hiển thị số liệu giám sát dưới dạng đồ thị và bảng biểu theo trình tự thời gian, đồng thời lưu trữ các giá trị này vào cơ sở dữ liệu để phục vụ cho việc lập báo cáo trong tương lai.
Chức năng điều khiển vận hành:
- Điều khiển vận hành từ xa, tác động lên các role trung gian để điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng của các tổ máy.
- Thu thập được hết tất cả các dữ liệu còn thiếu.
- Có chế độ mô phỏng cho người mới vận hành mà không ảnh hưởng tới hệ thống.
Đồ án có khả năng áp dụng và mở rộng cho toàn bộ quy trình công nghệ của các hệ thống khác trong nhà máy, nhằm nâng cao khả năng quản lý và vận hành Mục tiêu là tối ưu hóa quy trình sản xuất cho nhà máy, đồng thời hoàn thiện hệ thống DCS/SCADA cho nhà máy thủy điện Đồng Nai 5.
