Xây dựng giao diện vận hành và giám sát điện năng cho phòng thí nghiệm năng lƣợng tái tạo - Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (17)

Vấn đề năng lượng hiện nay và xu hướng phát triển của các nguồn năng lượng mới

Năng lượng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế và xã hội của các quốc gia Sự phát triển công nghiệp và kinh tế xã hội hiện nay đã dẫn đến nhu cầu năng lượng tăng nhanh chóng Theo dự báo của Cơ quan Thông tin Năng lượng (EIA) năm 2004, mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu sẽ tăng 54% từ năm 2001 đến 2025, chủ yếu tập trung vào các quốc gia đang phát triển mạnh như Trung Quốc và Ấn Độ.

Về cơ bản năng lượng được chia làm 2 dạng:

 Năng lượng không tái tạo như: năng lượng hóa thạch, năng lượng nguyên tử…

 Năng lượng tái tạo (NLTT) như: năng lượng mặt trời, gió, thủy điện, địa nhiệt, sinh khối

Năng lượng hóa thạch, chủ yếu từ than đá và dầu mỏ, đã đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho con người trong nhiều năm qua Tuy nhiên, việc sử dụng các nguồn năng lượng này gây ra tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là việc phát thải khí CO2 và các khí độc hại khác.

SO 2 … Nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm 90% tổng nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới đến năm 2025 Tuy nhiên, các nguồn năng lượng hóa thạch cũng đang dần cạn kiệt thêm vào đó là vấn đề môi trường nảy sinh trong quá trình khai thác là sử dụng nguồn năng lượng này gây ra hiệu ứng nhà kính

Hình 1.1: Lượng thải CO2 sinh ra do sử dụng năng lượng hóa thạch (tỉ tấn CO2)

Theo như dự đoán thì các nguồn năng lượng hóa thạch sẽ bị cạn kiệt trong vòng

Trong 200 năm tới, việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng hóa thạch và nghiên cứu, phát triển các nguồn năng lượng mới trở thành vấn đề cấp thiết Nghiên cứu và phát triển năng lượng tái tạo không chỉ giải quyết vấn đề năng lượng hiện tại mà còn góp phần xây dựng nền kinh tế bền vững và bảo vệ môi trường.

Năng lượng tái tạo (NLTT) đang trên đà phát triển mạnh mẽ nhờ đầu tư lớn và tiến bộ khoa học kỹ thuật, với điện mặt trời tăng 60%, điện gió 25% và nhiên liệu sinh học 17% mỗi năm Mặc dù NLTT là hướng phát triển bền vững, nó vẫn gặp một số hạn chế như yêu cầu kỹ thuật cao, phụ thuộc vào thời tiết và chi phí đầu tư ban đầu lớn Các hệ thống NLTT lớn như nhà máy điện mặt trời và điện gió ngày càng được xây dựng, góp phần giải quyết vấn đề năng lượng và dự kiến sẽ thay thế hoàn toàn năng lượng hóa thạch trong tương lai.

Hình 1.2: Tổng công suất các nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới [14]

Dưới đây sẽ giới thiệu một số nguồn năng lượng tái tao

1.2 Các nguồn năng lƣợng tái tạo

Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng vô tận, không bao giờ cạn kiệt, bao gồm năng lượng từ bức xạ mặt trời, địa nhiệt và các nguồn có khả năng tái tạo nhanh chóng Các dạng năng lượng tái tạo phổ biến bao gồm năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều và sinh khối.

Năng lượng gió được tạo ra từ việc chuyển hóa động năng của không khí, làm quay cánh quạt của tua bin gió và biến đổi thành điện năng Đây là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường, không gây ra khí thải hay tiếng ồn Những ưu điểm nổi bật của năng lượng gió bao gồm tính bền vững và khả năng giảm thiểu ô nhiễm.

Năng lượng gió là nguồn năng lượng hoàn toàn sạch, không gây ô nhiễm không khí, mưa a-xít hay chất thải trong quá trình sử dụng Nó cũng không phát sinh bức xạ hay phóng xạ, góp phần bảo vệ môi trường.

Năng lượng gió là nguồn năng lượng vô tận, với khả năng cung cấp điện vượt trội Theo thống kê, chỉ cần lắp đặt 6% diện tích các khu vực có gió tại Hoa Kỳ, chúng ta có thể tạo ra tới 150% nhu cầu điện năng của quốc gia này.

Hoa Kỳ hiện tại, căn cứ theo ước tính của bộ năng lượng Hoa Kỳ

Giá điện từ năng lượng gió sẽ trở nên rẻ hơn so với các nguồn năng lượng khác vào năm 2020, theo ước tính của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

 Sử dụng được ở mọi nơi, tạo ra các khu du lịch bằng các cánh đồng gió Giúp tăng trưởng kinh tế vùng sâu vùng xa

Bên cạnh những ưu điểm kể trên thì năng lượng gió cũng có những hạn chế của nó:

 Nguồn điện tạo ra từ năng lượng gió không ổn định, phụ thuộc vào thiên nhiên

Mức đầu tư ban đầu cho năng lượng gió cao hơn so với các nguồn năng lượng khác, chủ yếu do yêu cầu kỹ thuật phức tạp và hệ thống vận hành của điện gió.

Nguồn năng lượng gió không thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu của con người do sự không ổn định của gió Để khắc phục điều này, cần đầu tư vào hệ thống tích trữ năng lượng, tuy nhiên, điều này dẫn đến chi phí cao.

Các tua bin gió gây ra ô nhiễm tiếng ồn, làm rối loạn các luồng sóng trong không khí, dẫn đến ô nhiễm vô tuyến và ảnh hưởng đến chất lượng sóng trong truyền thanh và truyền hình.

Hình 1.3: Công suất điện gió trên toàn thế giới (1996-2012)

Trong 10 năm trở lại đây, sự tăng trưởng của nguồn năng lượng gió là rất ấn tượng, đạt mức 28% mỗi năm, đây là mức tăng trưởng cao nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo Sự phát triển của năng lượng gió này có được là nhờ sự phát triển của kỹ thuật và sự thay đổi trong chính sách năng lượng Theo kế hoạch đến năm 2020 năng lượng gió sẽ chiếm 12% tổng công suất phát điện trên toàn thế giới, và đến năm

2030 sẻ trở thành nguồn phát lớn thứ 2 chỉ sau các nhà máy nhiệt điện

Theo khảo sát của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam có tiềm năng phát triển năng lượng gió lớn nhất Đông Nam Á với 513.360 MW, gấp 200 lần công suất của nhà máy thủy điện lớn nhất cả nước và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện năm 2020 Một số dự án điện gió tiêu biểu tại Việt Nam bao gồm cánh đồng điện gió Tuy Phong (Ninh Thuận), cánh đồng điện gió Phước Dân (Ninh Thuận) và cánh đồng điện gió Mẫu Sơn (Lạng Sơn).

1.2.2 Năng lƣợng mặt trời (NLMT)

Kết luận

Hiện nay, sự cạn kiệt năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi trường đang thu hút sự chú ý lớn Do đó, việc tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng mới, năng lượng sạch trở thành ưu tiên hàng đầu Tuy nhiên, việc vận hành hiệu quả các hệ thống năng lượng tái tạo gặp nhiều thách thức do yêu cầu và hạn chế của chúng Nghiên cứu và phát triển các hệ thống tích hợp nguồn năng lượng tái tạo đang có những tiến bộ đáng kể, mang lại lợi ích to lớn cho tương lai.

Việt Nam sở hữu tiềm năng to lớn trong phát triển năng lượng tái tạo nhờ điều kiện thiên nhiên thuận lợi Tuy nhiên, việc khai thác nguồn năng lượng này vẫn còn ở mức khiêm tốn và thiếu sự đồng bộ trong quy hoạch Nguyên nhân chính là do chưa đáp ứng đủ nhu cầu kỹ thuật, chính sách hỗ trợ và đầu tư chưa tương xứng với tiềm năng hiện có Do đó, cần thiết phải có kế hoạch điều tra bổ sung để xây dựng lộ trình phát triển hiệu quả hơn.

Để thúc đẩy sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo, cần có chính sách cụ thể nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển bền vững kinh tế xã hội, đồng thời giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng hiện nay Một số hệ thống năng lượng tái tạo đã được lắp đặt và đi vào hoạt động, như hệ thống năng lượng mặt trời tại siêu thị Big C Bình Dương do Schneider nghiên cứu và lắp đặt, cùng với phòng thí nghiệm tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo tại trường ĐH Bách Khoa Hà Nội.

Việc giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong hệ thống điện là rất quan trọng Trong chương 2, chúng ta sẽ khám phá chi tiết về hệ thống giám sát và điều khiển trong lĩnh vực này.

Tổng quan chung

Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, lưới truyền tải, lưới phân phối và hệ thống phụ tải, với mối quan hệ chặt chẽ giữa các thành phần tạo thành một thể thống nhất Sự phá vỡ của thể thống nhất này có thể gây ra sự cố trong hoạt động của hệ thống, ảnh hưởng tiêu cực đến nền kinh tế Do đó, việc quản lý, giám sát và vận hành hệ thống điện một cách an toàn và tin cậy là rất quan trọng.

Hình 2.1: Một hệ thống vận hành giám sát trong hệ thống điện

Với sự phát triển của hệ thống điện hiện đại và thiết bị điện ứng dụng công nghệ truyền thông, việc quản lý, giám sát và vận hành ngày càng trở nên hiệu quả nhờ vào sự hỗ trợ của các thiết bị tự động, điều khiển từ xa và thiết bị truyền tin Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và giám sát dữ liệu, giúp tối ưu hóa quy trình vận hành.

Hệ thống Control And Data Acquisition (CADA) đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành hiệu quả hệ thống điện hiện nay Việc vận hành này bao gồm các thao tác như đóng mở máy cắt, dao cách ly, theo dõi trạng thái và thông số chất lượng, cũng như lưu trữ dữ liệu một cách chính xác.

Việc trả chi phí cho nhân viên thực hiện các công việc không hợp lý cùng với sự chậm trễ trong việc khắc phục sự cố của nhân viên kỹ thuật đã ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng phục vụ khách hàng Những vấn đề này đã thúc đẩy sự phát triển và mở rộng của hệ thống SCADA, mang lại hiệu quả đáng kể trong quản lý và vận hành.

Sự phân cấp chức năng của hệ thống SCADA

Toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát được phân chia thành các cấp chức năng như hình vẽ minh hoạ dưới đây:

Hình 2.2: Sự phân cấp trong SCADA

Phân cấp chức năng giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị, đồng thời mô hình phân cấp chức năng sẽ thay đổi tùy theo mức độ tự động hóa và cấu trúc của hệ thống cụ thể.

Cấp chấp hành đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu khi cần thiết Hầu hết các thiết bị cảm biến hoặc chấp hành đều tích hợp chức năng điều khiển riêng để thực hiện các nhiệm vụ đo lường và truyền động hiệu quả.

Các thiết bị thông minh với bộ vi xử lý riêng có khả năng xử lý và chuẩn bị thông tin một cách chính xác và nhanh nhạy trước khi gửi lên cấp trên để điều khiển.

Cấp điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc nhận và xử lý thông tin từ các bộ cảm biến theo thuật toán nhất định, sau đó truyền đạt kết quả xuống các bộ chấp hành Máy tính thực hiện các thao tác tự động như mở/đóng van và điều chỉnh các thiết bị Đặc điểm nổi bật của cấp điều khiển là khả năng xử lý thông tin, và cả cấp điều khiển lẫn cấp chấp hành thường được gọi là cấp trường (Field level) do chúng được lắp đặt trực tiếp tại hiện trường, gần gũi với hệ thống kỹ thuật.

Cấp điều khiển giám sát có vai trò quan trọng trong việc giám sát và vận hành các quy trình kỹ thuật, hỗ trợ người dùng cài đặt ứng dụng và theo dõi hoạt động Nó cũng xử lý các tình huống bất thường và thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức Đặc biệt, chức năng này không yêu cầu thiết bị phần cứng đặc biệt, chỉ cần sử dụng máy tính thông thường.

Thông thường, ba cấp dưới trong hệ thống điều khiển và giám sát được xem là riêng biệt Tuy nhiên, việc biểu thị hai cấp trên cùng, tức Quản lý công ty và Điều hành sản xuất, giúp làm rõ mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng của các công ty sản xuất công nghiệp Gần đây, do nhu cầu tự động hóa ở các cấp điều hành và quản lý, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các cấp trung gian không cần thiết trở nên cấp thiết Điều này dẫn đến sự không rõ ràng trong ranh giới giữa cấp điều hành sản xuất, hình thành xu hướng tích hợp hai cấp này thành một cấp duy nhất, gọi chung là cấp điều hành.

Các chức năng của hệ thống SCADA

Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng như sau:

1) Chức năng giám sát a) Giám sát và đảm bảo hoàn toàn chính xác các thông số vận hành của hệ thống như: điện áp, tần số, dòng điện…

27 b) Giám sát được các trạng thái của các phần tử trong hệ thống như trạng thái đóng cắt của các máy cắt, dao cách ly, các MCCB…

2) Chức năng điều khiển a) Quá trình điều khiển phải chính xác tinh cậy

Khi điều khiển đóng cắt các thiết bị như dao cách ly và MCCB, việc đảm bảo tính tin cậy tuyệt đối là rất quan trọng để tránh nhầm lẫn Do đó, việc giám sát trạng thái của các thành phần trong hệ thống cần được thực hiện chặt chẽ theo quy tắc vận hành Bên cạnh đó, cài đặt thông số từ xa cũng là một yếu tố cần được chú trọng để nâng cao hiệu quả quản lý hệ thống.

Khi cấu trúc hệ thống thay đổi, các thông số vận hành cũng sẽ bị ảnh hưởng Do đó, cần điều chỉnh lại các thông số của thiết bị bảo vệ và tỷ lệ biến đổi trong các đơn vị đo như đồng hồ, công tơ để đảm bảo tính chính xác và phù hợp với thực tế.

3) Chức năng quản lý và lưu trữ dữ liệu

Khi xảy ra sự cố trên lưới điện, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo qua âm thanh và hình ảnh trên màn hình hiển thị Đồng thời, các sự kiện liên quan sẽ được ghi chép lại, giúp cho việc dự đoán và khắc phục sự cố diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.

Tất cả các tính năng trên của hệ thống được bảo mật ở mức cao và tin cậy

4) Chức năng thời gian thực

SCADA là hệ thống điều khiển giám sát thời gian thực, trong đó tính năng thời gian đóng vai trò quan trọng Sự ổn định của hệ thống kỹ thuật, đặc biệt là hệ thống điện, phụ thuộc vào độ tin cậy và thời điểm đưa ra kết quả Hệ thống thời gian thực không nhất thiết phải phản ứng quá nhanh, nhưng cần phải đáp ứng kịp thời với các yêu cầu và yếu tố bên ngoài Do đó, hệ thống truyền tin phải đảm bảo cung cấp thông tin một cách tin cậy và kịp thời giữa các đối tượng trong hệ thống.

Hệ thống Bus trường đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính năng thời gian thực của hệ thống Để duy trì tính năng này, Bus trường cần có các đặc điểm nhất định.

 Độ nhanh nhạy: Tốc độ truyền dữ liệu phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin giữa các phần tử trong hệ thống

 Tính tiền định: dự đoán được thời gian phản ứng và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của các trạm

 Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo thời gian cần để vận chuyển thông tin giữa các trạm trong một khoảng xác định

 Khắc phục sự cố: có khả năng khắc phục sự cố một cách hợp lý, tranh gây ảnh hưởng lớn đến hệ thống.

Cấu trúc của hệ thống SCADA

Từ sự phân cấp chức năng của hệ thống thì một hệ thống SCADA có cấu trúc cơ bản như sau:

 Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là khối các thiết bị vào ra đầu cuối từ xa

Remote Terminal Units (RTUs) and Programmable Logic Controllers (PLCs) are essential for communicating with various actuating devices, including field sensors, actuated valves, and switching mechanisms.

 Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm

Hệ thống truyền thông bao gồm mạng truyền thông công nghiệp, thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dòng kênh, có chức năng truyền dữ liệu từ cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ.

Giao diện người – máy (HMI) là các thiết bị hiển thị trạng thái và quá trình xử lý của hệ thống, giúp người dùng theo dõi và điều khiển hoạt động xử lý dữ liệu trong các quy trình.

Theo cấu trúc đó một quá trình giám sát, thu thập dữ liệu và điểu khiển được diễn ra như sau:

Quá trình thu thập dữ liệu bắt đầu khi các RTU quét thông tin từ các thiết bị chấp hành kết nối với chúng, thời gian thực hiện gọi là thời gian quét bên trong Các máy chủ sẽ quét các RTU với tốc độ chậm hơn thời gian quét bên trong để thu thập dữ liệu Để điều khiển, máy chủ gửi tín hiệu điều khiển xuống RTU, và RTU chuyển tiếp tín hiệu này đến các thiết bị chấp hành Dữ liệu trong quá trình truyền tải có thể ở dạng tương tự (Analog), dạng số (Digital) hoặc dạng xung (Pulse).

Giao diện đồ họa (GUI) là công cụ chính để vận hành các thiết bị đầu cuối, cho phép hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển và giám sát Dữ liệu được trình bày dưới dạng hình ảnh tĩnh tại một thời điểm, và khi có sự thay đổi, hình ảnh cũng sẽ được cập nhật theo Đối với các hệ thống có dữ liệu thay đổi liên tục, thông tin sẽ được thể hiện dưới dạng đồ thị, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và phân tích.

Cấu trúc phần cứng của SCADA

Thiết bị chấp hành, cảm biến, thiết bị điện tử thông minh

Thiết bị đầu cuối RTU, các bộ điều khiển

Trạm giám sát trung tâm

Hình 2.3: Cấu trúc phần cứng của hệ thống SCADA

1) Các thiết bị điện tử thông minh, cảm biến có nhiệm vụ thu thập dữ liệu, chuyển đổi các giá trị đo sang tín hiệu đo sang tín hiệu dòng điện hoặc điện áp, kết nối với các thiết bị trung gian đưa về trung tâm điều khiển tiền hành phân tích, điều khiển hệ thống

2) Các thiết bị đầu cuối RTU là một thiết bị thu thập dữ liệu từ các thiết bị khác do nó quản lý, lưu vào cơ sở dữ liệu và gửi thông tin tới trạm chủ hoặc cấp quản lý cao hơn thông qua các đường truyền tin Thông thường, RTU là thiết bị xử lý thông minh có thể giám sát và điều khiển các thiết bị đặt ở xa trung tâm điều khiển và truyền các tín hiệu thu thập được đến các trung tâm điều khiển

RTU nhỏ thường có dưới 20 tín hiệu số, trong khi RTU trung bình có khoảng 100 tín hiệu số và 50 tín hiệu tương tự Những RTU có số lượng đầu vào và đầu ra lớn hơn được gọi là RTU loại lớn.

Cấu trúc cơ bản của RTU gồm những phần chính như sau:

 Bộ xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit)

 Các đầu vào số DI (Digital Input)

 Các đầu vào số DI (Digital Input)

 Các đầu ra tương tự AO (Analog Output)

 Các đầu vào đếm (Counter)

3) Mạng truyền thông: Đảm bảo nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa các thành phần trong hệ thống Theo yêu cầu của hệ thống việc truyền thông có thể được được thực hiện bằng các thiết bị, các chuẩn truyền thông khác nhau

4) Trạm giám sát trung tâm: Các trạm giám sát trung tâm là các thiết bị chính của các hệ thống SCADA, sẽ chịu trách nhiệm tổng hợp thông tin được tạo ra bởi các trạm và hoạt động phù hợp với các sự kiện được thực hiện; chúng có thể được tập trung thành một máy tính duy nhất hoặc phân phối tới mạng máy tính,

31 để cho phép thu thập thông tin được chia sẻ trong mạng.

Cấu trúc phần mềm của SCADA

Cấu trúc phần mềm của hệ thống SCADA bao gồm:

 Giao diện người dùng: bàn phím, chuột, màn hình cảm ứng …

 Đồ họa hiển thị: giao diện, giới hạn trang hiển thị

Cảnh báo toàn bộ sự cố trong quá trình hoạt động là rất quan trọng, với việc đưa ra cảnh báo tại tất cả các trạm Thời gian cảnh báo cần phải kịp thời để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quản lý.

 Giao diện RTU ( hoặc PLC)

 Phát hiện lỗi và dự phòng

Hình 2.3: Cấu trúc phần mềm của SCADA

Truyền thông trong SCADA

Trong hệ thống SCADA, truyền thông đóng vai trò quan trọng với nhiều cấu trúc khác nhau phục vụ cho các mục đích đa dạng Các kiểu truyền thông truyền thống được sử dụng để đảm bảo hiệu quả trong việc thu thập và quản lý dữ liệu.

 Truyền thông với RTU/PLC

 Truyền thông với các trạm SCADA khác

 Truyền thông với các hệ thống khác

Cấu trúc truyền thông dựa trên các cơ sở liên kết bao gồm mối liên hệ vật lý hoặc logic giữa các đối tượng truyền thông Liên kết vật lý kết nối các đối tác của trạm truyền thông trong môi trường vật lý, trong khi liên kết logic không yêu cầu phải có thiết bị phần cứng mà có thể là chương trình hệ thống hoặc ứng dụng trên một trạm quan hệ, thể hiện mối quan hệ logic giữa các đối tác này.

Có thể có các kiểu liên kết logic sau:

 Liên kết Điểm - Điểm (Point to Point) : chỉ gồm 2 đối tác tham gia, về mặt vật lý 2 trạm liên kết này được nối với nhau bởi 1 đường truyền

 Liên kết Điểm - nhiều điểm (Multi-Drop) : Nhiều trạm được nói chung với một trạm chủ, các đối tác chung được nối vào một đường dây

Liên kết nhiều điểm (Multi-point) cho phép nhiều đối tác tham gia, thông tin được trao đổi theo nhiều hướng, và các đối tác được kết nối với nhau trong một mạng lưới.

Truyền thông theo phương pháp chủ - tớ (Master/Slave) cho phép trạm trung tâm (Master) điều khiển và truy vấn các trạm ở xa (Slave) theo trình tự, đảm bảo rằng các trạm ở xa chỉ phản hồi khi nhận được yêu cầu từ trạm trung tâm Phương pháp này giúp thu thập dữ liệu một cách đơn giản, tránh xung đột truyền dữ liệu trên mạng và không cần thiết phải có trạm thông minh ở xa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền thông hiệu quả từ trạm trung tâm đến các trạm ở xa.

Truyền thông trên cơ sở ngắt phiên, hay nói cách khác, thực hiện khi PLC hoặc

RTU giám sát các giá trị đầu vào và gửi thông tin về trạm trung tâm khi có thay đổi kỹ thuật hoặc giá trị vượt quá giới hạn đã đặt Điều này giúp loại bỏ việc truyền dữ liệu không cần thiết và cho phép kiểm tra nhanh các thông tin quan trọng, cũng như truyền dữ liệu giữa các trạm ở xa (Slave-to-Slave).

Internet ngày càng trở thành phương tiện truyền thông phổ biến trong các hệ thống SCADA Nhờ vào công nghệ web và các tiêu chuẩn như Ethernet, TCP/IP, HTTP, và HTML, việc truy cập và chia sẻ dữ liệu trong các khu vực sản xuất và giám sát trở nên dễ dàng hơn Người dùng có thể điều khiển máy móc từ bất kỳ đâu trên thế giới theo thời gian thực thông qua trình duyệt web Giao tiếp giữa trình duyệt và webserver diễn ra qua giao thức HTTP, cho phép gửi yêu cầu đến các máy chấp hành và nhận phản hồi hiển thị trên các trang HTML Việc sử dụng Internet và trình duyệt web làm giao diện cho hệ thống SCADA mang lại nhiều lợi ích như cơ chế tương tác đơn giản, khả năng sử dụng cho nhiều người, yêu cầu bảo trì thấp và chỉ cần can thiệp ở mức máy chủ.

Truyền thông giữa các hệ thống khác nhau, chẳng hạn như trình tự phối hợp, bộ thu thập dữ liệu hoặc nhà cung cấp, có thể được thực hiện thông qua các module riêng biệt Điều này có thể được thực hiện thông qua các cơ sở dữ liệu hoặc các công nghệ như XML và OPC (OLE for Process Control).

Kết luận

Sự phát triển của hệ thống SCADA đã hỗ trợ hiệu quả cho việc vận hành các hệ thống công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực điện Ứng dụng SCADA trong hệ thống điện không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn mang lại lợi ích kinh tế lớn Hệ thống này đảm bảo giám sát, điều khiển và vận hành an toàn cho hệ thống điện Do đó, SCADA sẽ tiếp tục là xu hướng phát triển mạnh mẽ trong tương lai nhờ vào những lợi ích mà nó mang lại.

Chúng ta sẽ thiết kế một hệ thống SCADA cụ thể nhằm xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát điện năng trong phòng thí nghiệm phát triển năng lượng tái tạo.

34 trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Giới thiệu chung hệ thống

3.1.1 Nguyên lý hoạt động của chung hệ thống

Hệ thống gồm 5 nguồn điện:

 Nguồn điện từ điện lưới quốc gia EVN

 Nguồn điện năng lượng mặt trời

 Nguồn điện từ kho dự trữ năng lượng ắc quy

 Nguồn điện năng lượng gió

 Nguồn điện từ máy phát

Năm nguồn này được kết nối với hệ thống điện để cung cấp cho tải bao gồm:

 Các ổ cắm điện trong phòng thí nghiệm

Dưới đây là sơ đồ nguyên lý hệ thống phân phối điện trong phòng thí nghiệm.

Controller charge ( Solar system ) Solar Panel

Coolling system for Of fice

From main Power Panel Motor three phases

Power on grid cot roller

ATS_DC Panel for SOLAR

Wind po wer on grid Cont roller

PLC Panel Power Panel ( HUST )

Mục lục Mô tả Ngày

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG

PHÒNG THÍ NGHIỆM NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO CHO TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hệ thống tải chiếu sáng và quạt phòng làm việc

Hệ thống điện phân phối cho Phòng thí nghiệm Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Hệ thống vận hành theo nguyên lý ưu tiên, trong đó chỉ có một nguồn chính hoạt động tại mỗi thời điểm, theo thứ tự ưu tiên: điện lưới, máy phát, và kho ắc quy Nguồn điện gió và điện mặt trời sẽ được hòa vào lưới, cung cấp năng lượng bổ sung cho tải.

3.1.2 Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống bao gồm các thành phần chính:

 Hệ thống điện mặt trời

 Hệ thống ắc quy dự phòng

 Tủ biến tần và PLC

Tủ nguồn của trường lấy điện trực tiếp từ lưới quốc gia với điện áp 380V và tần số 50Hz, được điều khiển bởi thiết bị đóng cắt MCB 63A và MCB 40A Nhiệm vụ của tủ nguồn là cung cấp điện cho hệ thống phụ tải, tủ phân phối chính, tủ biến tần và PLC.

Bài viết này đề cập đến các thiết bị chính trong hệ thống điện bao gồm đồng hồ đo lường đa năng PM5350, ION7650, cùng với các aptomat MCCB 40A và MCB 40A Hệ thống được trang bị hai thanh cái, trong đó các aptomat MCCB 40A được điều khiển tự động bằng PLC, trong khi aptomat MCB 40A được điều khiển đóng cắt bằng tay.

Nguồn điện từ hệ thống năng lượng tái tạo, điện lưới và ắc quy được chuyển đến tủ phân phối chính Các đồng hồ PM5350 và ION7650 đo lường dòng điện, điện áp, điện năng tiêu thụ và chất lượng điện áp, sau đó gửi dữ liệu về hệ thống giám sát để tiến hành phân tích và điều khiển hệ thống hiệu quả.

Hệ thống bao gồm các đồng hồ đo năng lượng và aptomat MCB, giúp chuyển điện từ tủ phân phối chính đến các hệ thống phụ tải Các phụ tải này được chia thành hai nhóm và được quản lý qua một khóa chuyển mạch ATS.

 Nhóm 1: bao gồm bộ lọc sóng hài, hệ biến tần + động cơ ba pha, chỉ nối với nguồn điện cung cấp từ tủ phân phối chính

Nhóm 2 bao gồm hệ thống chiếu sáng, hệ thống điều hòa không khí và các phụ tải khác, tất cả được kết nối với một trong hai nguồn cung cấp thông qua khóa chuyển mạch ATS, cho phép lấy điện từ tủ phân phối chính hoặc trực tiếp từ lưới điện quốc gia.

4) Tủ biến tần và PLC

Hệ thống bao gồm biến tần, PLC, aptomat MCB 25A và máy biến áp cách ly 10kVA Biến tần có chức năng điều khiển động cơ ba pha để quay máy phát tuabin gió, giả lập sức gió với nguồn điện lấy từ điện lưới PLC đảm nhiệm việc điều khiển đóng cắt hệ thống aptomat, giúp hòa đồng bộ và cung cấp điện cho phụ tải.

5) Máy phát điện Đưa nguồn điện ba pha vào tủ phân phối chính và thiết bị nghịch lưu/nạp, phục vụ cho việc nạp hệ thống ắc quy dự phòng

6) Hệ thống nguồn ắc quy

Nguồn điện một chiều được chuyển đổi thành nguồn xoay chiều ba pha thông qua thiết bị nghịch lưu/nạp một pha, với điện áp, tần số và pha mong muốn trước khi đưa vào tủ phân phối chính để hòa đồng bộ Hệ thống này bao gồm các nguồn ắc-quy cho năng lượng mặt trời, kho lưu trữ và máy phát điện.

7) Hệ thống điện năng lượng mặt trời

Hệ thống năng lượng mặt trời bao gồm tấm pin năng lượng mặt trời với cảm biến bức xạ và cảm biến nhiệt độ, tủ điều chỉnh năng lượng mặt trời, bộ điều khiển nạp năng lượng mặt trời, ắc-quy lưu trữ năng lượng mặt trời có cảm biến nhiệt độ, cùng với bộ nghịch lưu ba pha online để hòa lưới.

39 lưu ba pha offline cho ắc-quy cung cấp điện vào ban đêm và thiết bị ATS chuyển mạch sử dụng năng lượng mặt trời hoặc ắc-quy.

Hệ thống bao gồm động cơ ba pha tích hợp encoder để phản hồi tốc độ, máy phát tuabin gió công suất 3kW, bộ điều khiển kết nối lưới điện từ nguồn gió, bộ inverter sóng sin cho lưới điện gió và máy biến áp cách ly có công suất 3kVA.

Do điều kiện không cho phép, chúng ta không thể lắp đặt hệ thống tua bin gió tại đây Thay vào đó, gió sẽ được mô phỏng bằng động cơ xoay chiều 3 pha, giúp giả lập sức gió Trục của động cơ sẽ được kết nối với tua bin gió, làm quay cánh quạt để tạo ra điện năng.

Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát điện năng trong phòng thí nghiệm

3.2.1 Mô hình giám sát và điều khiển hệ thống điện

Việc vận hành giám sát tập trung tại một trung tâm điều khiển, nơi người vận hành giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống Hệ thống điều khiển luôn được đặt trong phòng thí nghiệm, và người vận hành cần thực hiện các nhiệm vụ quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

 Theo dõi, kiểm tra các thông số về mặt chất lượng

 Theo dõi các tín hiệu, trạng thái hoạt động của các thiết bị trong hệ thống

 Cài đặt tham số để đưa ra một số cảnh báo báo động

 Thông qua việc giám sát, phân tích các thông số để đưa ra chế độ làm việc tối ưu cho hệ thống

Hệ thống SCADA thu thập dữ liệu từ các đồng hồ đo điện năng và gửi về máy tính để phân tích và lưu trữ Dựa vào dữ liệu này, hệ thống sẽ điều khiển việc đóng cắt MCCB nhằm tối ưu hóa hiệu quả hoạt động Dưới đây là mô hình tổng quát của hệ thống giám sát điện năng.

Hệ thống vận hành trong phòng thí nghiệm phát triển nguồn năng lượng tái tạo tại Đại học Bách khoa Hà Nội được thiết kế và thi công bởi Schneider Hệ thống này bao gồm các giải pháp giám sát điện năng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và quản lý năng lượng hiệu quả trong phòng thí nghiệm.

Phần mềm PMS (Power Management System) được phát triển để quản lý hệ thống điện năng cho các thiết bị của hãng Schneider, bao gồm thư viện lập trình cho các thiết bị này Tuy nhiên, phần mềm chủ yếu tập trung vào quản lý và giám sát, trong khi việc điều khiển cần thông qua một chương trình khác Khi mở rộng hệ thống, việc thực thi trở nên khó khăn Do đó, trong đồ án này, tôi lựa chọn thiết kế hệ thống vận hành và giám sát trên nền tảng S7-300 và phần mềm WinCC của Siemens vì những ưu điểm nổi bật mà chúng mang lại.

 Là phần mềm thông dụng, dễ sử dụng, được ứng dụng trong nhiều hệ thống SCADA hiện nay

 S7-300 được thiết kế với nhiều Modul mở rộng, rất thuận tiện cho việc mở rộng hệ thống

 Dễ sử dụng, độ tin cậy cao, kết nối truyền thông giữa các thiết bị, giữa các hệ thống khác với nhau 1 cách dễ dang

 Khi thiết kế trên nền tảng S7-300 và Wincc có thể đáp ứng đầy đủ yêu cầu của hệ thống

Hình 3.1: Mô hình chung hệ thống

Các thành phần chính của hệ thống:

1) PC (Personal Computer): Đóng vai trò là trạm chủ điều hành hệ thống, nơi chứa giao diện, chương trình vận hành hệ thống

2) PLC (Progrmable Logic Controller): vừa là nơi trung gian lưu trữ dữ liệu từ các đồng hồ đo điện năng cảm biến đo nhiệt độ sau đó gửi về máy tính vừa là thiết bị điều khiển đóng cắt các MCCB Ở đây ta sử dụng PLC S7-300

 Cáp Profibus DP: truyền thông giữa các đồng hồ đo điện năng PAC-

 Cáp truyền thông TCP/IP: truyền thông giữa PLC và PC

4) Đối tượng giám sát và điều khiển:

Đồng hồ đo điện năng thông minh PAC 3200/4200 cung cấp thông tin chi tiết về các thông số điện như điện áp, dòng điện, công suất và điện năng tiêu thụ Ngoài ra, thiết bị còn đo độ biến dạng sóng hài TDH% và được trang bị hệ thống truyền thông Profibus DP và Modbus RTU, giúp nâng cao khả năng giám sát và quản lý năng lượng.

 Máy cắt MCCB: có chức năng đóng cắt dòng điện, được điều khiển thông qua

Dựa trên sơ đồ hệ thống phân phối điện năng trong phòng thí nghiệm và yêu cầu của hệ thống, chúng tôi đã thống kê số lượng các thiết bị cần thiết.

 Số lượng MCCB cần điều khiển và giám sát: 26

 Số lượng đồng hồ giám sát năng lượng kết nối với PLC: 10 đồng hồ

 Module truyền thông (nếu PLC chưa có): module Ethernet, module Profibus

 Cảm biến đo nhiệt độ đo nhiệt độ từ kho ắc quy

Từ đó ta lựa chọn các thiết bị như sau (các thông số kỹ thuật của các thiết bị

42 được nêu ở phần phụ lục): a) PLC

Hình 3.2: Modul CPU314 C – 2PN/DP

 Modul mở rộng đầu vào số SM 321; DI 32 x DC 24 V

Hình 3.3: Modul SM 321 DI32xDC24V/0.5A

 Modul mở rộng đầu ra số 322 DO16xDC24V/0.5A

Hình 3.4: Modul 322 DO16xDC24V/0.5A b) Các đồng hồ SENTRON PAC3200/4200

Hình 3.5: Đồng hồ đo điện năng 3200/4200

Đồng hồ PAC3200 có khả năng đo lường và hiển thị nhiều thông số điện như dòng điện, điện áp và công suất, đồng thời đo độ méo dạng sóng hài (THD: Total Harmonics Distorsion) với khả năng hiển thị tới 50 giá trị đo lường Thiết bị này cho phép thiết lập các giá trị giới hạn để phục vụ cho việc giám sát hệ thống điện hiệu quả.

Đồng hồ PAC4200 là thiết bị đo lường tiên tiến với khả năng hiển thị, lưu trữ và giám sát hầu hết các đại lượng điện So với điện kế PAC3200, PAC4200 mở rộng phạm vi đo lên tới gần 200 thông số và trang bị bộ nhớ trong để lưu trữ sơ đồ phụ tải và các sự kiện Ngoài ra, thiết bị còn có chức năng GATEWAY, cho phép kết nối với các thiết bị đo tích hợp truyền thông Modbus RTU qua cổng RS485.

MCCB đóng cắt để hòa các nguồn vào lưới, đóng cắt các phụ tải, có thể đóng cắt tại chỗ, hoặc đóng cắt thông qua màn hình giám sát

Hình 3.6: MCCB SIEMENS 3P-40A-25Ka-3VT1704 d) Cảm biến nhiệt độ PT100

Cảm biến nhiệt độ PT100 được sử dụng để đo nhiệt độ trong kho ắc quy dự trữ, hoạt động dựa trên nguyên lý nhiệt điện trở Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở suất của cảm biến cũng thay đổi, dẫn đến sự thay đổi của điện áp đầu ra Qua các phép tính quy đổi, chúng ta có thể xác định được giá trị nhiệt độ chính xác.

Các modul Analog của PLC có khả năng kết nối trực tiếp với cảm biến nhiệt độ PT100 để đọc giá trị Tuy nhiên, dây dẫn kết nối từ PT100 đến PLC có điện trở, dẫn đến tín hiệu bị suy hao và gây sai số Để nâng cao độ chính xác, cần sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu sang dạng dòng 4mA-20mA, giúp truyền tín hiệu đi xa mà không bị giảm chất lượng.

Hình 3.7: Cảm biến nhiệt độ PT100 và Tranmiiter MST110

2) Phân cổng vào ra a) Tín hiệu đầu vào số (DI)

Chú thích STT Địa chỉ

1 I0.0 Đóng nguồn gió 29 I3.4 Đóng mặt trời bus 1

2 I0.1 Cắt nguồn gió 30 I3.5 Cắt điện mặt trời bus 1

3 I0.2 Đóng nguồn gió Bus 1 31 I3.6 Đóng điện mặt trời bus 2

4 I0.3 Cắt nguồn gió Bus 1 32 I3.7 Cắt điện mặt trời bus 2

5 I0.4 Đóng nguồn gió vào Bus 2 33 I4.0 Đóng điện thanh cái 1 với tải

6 I0.5 Cắt nguồn gió vào Bus 2 34 I4.1 Cắt điện thanh cái 1 với tải

7 I0.6 Đóng nguồn Ắc Quy 35 I4.2 Đóng điện thanh cái 2 với tải

8 I0.7 Cắt nguồn điện Ắc Quy 36 I4.3 Cắt điện thanh cái 1 với tải

9 I1.0 Đóng nguồn Ắc Quy Bus 1 37 I4.4 Đóng nguồn cho tải

10 I1.1 Cắt nguồn Ắc Quy Bus 1 38 I4.5 Cắt nguồn cho tải

11 I1.2 Đóng nguồn Ắc Quy Bus 2 39 I4.6 Đóng bộ lọc sóng hài

12 I1.3 Cắt nguồn Ắc Quy Bus 2 40 I4.7 Cắt bộ lọc sóng hài

13 I1.4 Đóng nguồn máy phát 41 I5.0 Đóng điện cho động cơ

14 I1.5 Cắt nguồn máy phát 42 I5.1 Cắt điện động cơ

15 I1.6 Đóng nguồn MP Bus 1 43 I5.2 Đóng điện cho quạt

16 I1.7 Cắt nguồn MP Bus 1 44 I5.3 Cắt điện quạt

17 I2.0 Đóng nguồn MP Bus 2 45 I5.4 Đóng điện cho tải chiếu sáng

18 I2.1 Cắt nguồn MP Bus 2 46 I5.5 Cắt điện tải chiếu sáng

19 I2.2 Đóng nguồn sạc Ắc Quy 47 I5.6 Đóng điện tải điều hòa

20 I2.3 Cắt nguồn sạc ắc quy 48 I5.7 Cắt điện tải điều hòa

21 I2.4 Đóng nguồn từ EVN 49 I6.0 Đóng điện ổ cắm văn phòng

22 I2.5 Cắt nguồn từ EVN 50 I6.1 Cắt điện ổ cắm văn phòng

23 I2.6 Đóng nguồn EVN bus 1 51 I6.2 Đóng điện cho tải khác

24 I2.7 Cắt nguồn EVN bus 1 52 I6.3 Cắt điện tải khác

47 b) Tín hiệu đầu ra số (D0)

Chú thích STT Địa chỉ

1 Q0.0 Nguồn điện từ acqui 15 Q1.6 Nguồn gió với thanh cái 1

2 Q0.1 Nguồn điện từ máy phát 16 Q1.7 Nguồn gió với thanh cái 2

3 Q0.2 Nguồn điện lưới 17 Q2.0 Thanh cái 1 nối với tải

4 Q0.3 Nguồn điện từ pin Mặt Trời 18 Q2.1 Thanh cái 2 với tải

5 Q0.4 Nguồn từ điện mặt trời 19 Q2.2 Nguồn với phụ tải

6 Q0.5 AQ thanh cái 1 20 Q2.3 Bộ lọc sóng hài

7 Q0.6 AQ thanh cái 2 21 Q2.4 Động cơ

8 Q0.7 Máy phát với thanh cái 1 22 Q2.5 Tải quạt

9 Q1.0 Máy phát với thanh cái 2 23 Q2.6 Điều hòa phòng lab

10 Q1.1 Sạc AQ 24 Q2.7 Tải chiếu sáng

11 Q1.2 EVN với thanh cái 1 25 Q3.0 Ổ cắm

12 Q1.3 EVN với thanh cái 2 26 Q3.1 Tải khác

13 Q1.4 Mặt Trời với thanh cái 1 27

14 Q1.5 Mặt trời với thanh cái 2 28 c) Đầu vào tương tự

STT Địa chỉ Chú thích

1 PIW800 Nhiệt độ từ kho ắc quy

1) Xây dựng chương trình cho PLC a) Khai báo cấu trúc phần cứng cho trạm PLC Để xây dựng cấu trúc phần cứng và lập trình cho PLC ta sử dụng phần mềm

Phần mềm Sematic Manager V5.5 SP 3 (STEP-7) của Siemens được cài sẵn trên PC Để bắt đầu, khởi động phần mềm STEP-7, giao diện sẽ hiện ra và cho phép tạo một Project mới Có hai cách để tạo Project: chọn biểu tượng “New Project/Library” trên thanh công cụ của SIMATIC Manager hoặc nhấn “Next” trong cửa sổ “STEP 7 Wizard” Khi sử dụng cửa sổ “STEP 7 Wizard”, bạn chỉ cần chọn “Next” để lần lượt chọn loại Project cần tạo.

CPU cần dùng, các khối Block lập trình, và đặt trên cho Project và cuối cùng nhấn

“Finish” để hoàn thành việc tạo Project mới Để mở một Project có sẵn ta chọn “Open Project /Libraly” bên cạnh biểu tượng để tạo một thư Project mới

Sau khi hoàn thành việc tạo project mới, bước tiếp theo là thiết lập cấu hình phần cứng cho trạm PLC Lúc này, một cửa sổ giao diện mới sẽ xuất hiện khi bạn tạo project bằng phần mềm “STEP”.

7 Wizard” thì Project mới này đã thêm sẵn thư mục “SIMATIC 300 Station”

Để xây dựng cấu hình cứng cho một trạm PLC, mặc dù không bắt buộc, nhưng việc này được khuyến nghị thực hiện Khi có cấu hình trong dự án, khi bật nguồn PLC, hệ điều hành S7-300 sẽ kiểm tra các module hiện có và so sánh với cấu hình đã xây dựng Điều này giúp đảm bảo tính chính xác và ổn định cho hệ thống.

Kết luận

Sau khi nghiên cứu nguyên lý và yêu cầu của hệ thống, tôi đã thực hiện các bước xây dựng dự án như đã trình bày ở chương 3 Kết quả là tôi đã phát triển một hệ thống giám sát điện năng cho phòng thí nghiệm, đáp ứng cơ bản các yêu cầu cần thiết của một hệ thống giám sát hiệu quả.

Giao diện gồm các màn hình hiển thị cấu trúc của hệ thống điện trong phòng thí

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày về 55 nghiệm và các thông số quan trọng của từng nguồn điện, bao gồm điện áp, dòng điện và hệ số công suất Những thông số này có khả năng điều khiển việc đóng cắt các MCCB và thiết lập giá trị để đưa ra một số cảnh báo cần thiết Ở chương 4, chúng tôi sẽ tiến hành mô phỏng hệ thống để minh họa rõ hơn về các chức năng này.