Đề tài Hệ thống điều khiển số cho trạm biến áp

Hệ thống điều khiển số cho trạm biến áp Mục lục …………………………………………………………………..1 I. Lời nói đầu…………………………………………………………….. 2 II . Giới thiệu về công ty điện lực Western ……………………………... 3 III. Thiết kế DCS ………………………………………………………... 5 Thiết bị điều khiển ……………………………………………. 5 Máy tính trạm biến áp ………………………………………… 6 2.1 Thiết kế phần cứng ……………………………………. 6 2.2 Thiết kế ứng dụng HMI ………………………………. 7 IV. Lắp đặt ……... …………………………………………………….. 8 Cáp …………………………………………………………. . 8 Chức năng …………………………………………………... 9 IV. Kết luận …………………………………………………………... 9 I Lời nói đầu Hệ thống bảo vệ và điều khiển tại một trạm biến áp truyền tải lớn, trạm Fort Thompson (bang South Dakota, Hoa Kỳ). Trạm gồm hai máy biến áp 345/230 kV với hai lộ đường dây 345 kV và mười hai lộ đường dây 230 kV. Điện lực miền Tây (Western) đã tiến hành thực hiện một dự án vài năm trước đây nhằm cải tạo toàn bộ hệ thống bảo vệ và điều khiển tại trạm biến áp này. Western áp dụng quy trình tự động hoá mà họ đã phát triển để giảm chi phí xây dựng trạm biến áp mới.Thường thì khi xây dựng trạm biến áp mới, có thể dễ dàng giải trình chi phí phải trả cho việc tích hợp và tự động hoá các hệ thống nhưng đối với một dự án cải tạo, biện minh cho việc nâng cấp hệ thống tự động hoá nói chung khó hơn nhiều. Tuy nhiên, những tiến bộ mới đây về khả năng tích hợp các rơle bảo vệ vi xử lý, và các thiết bị điện tử thông minh (Intelligent Electronic Device - IED) trong trạm biến áp đã khiến cho việc việc nâng cấp toàn bộ hệ thống tích hợp, kể cả hệ thống tự động hóa, trở nên hiệu quả về chi phí so với việc thay thế chọn lọc các IED, đi dây, và thử nghiệm. Bài báo cũng thảo luận về ý tưởng thiết kế hệ thống tổng thể của các sơ đồ tích hợp và tự động hoá được áp dụng. II Giới thiệu về công ty điện lực Western Công ty điện lực Western kinh doanh và cung cấp điện năng tin cậy, với giá dựa trên chi phí từ nguồn thủy điện, và cung cấp các dịch vụ liên quan trong phạm vi 15 bang thuộc Miền Trung và Miền Tây Hoa Kỳ. Đây là một trong bốn công ty kinh doanh điện trực thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, có chức năng kinh doanh và truyền tải điện từ các dự án thủy lợi đa mục tiêu. Hệ thống truyền tải của Western khai thác điện năng từ 55 nhà máy thủy điện do một số cơ quan điều hành. Tổng công suất của các nhà máy này là 10.600 MW. Western khởi động các dự án tự động hóa với mục tiêu giảm chi phí xây dựng các trạm biến áp mới. Theo ước tính của Western, điều này sẽ tiết kiệm được 40%, riêng về chi phí và quy mô xây dựng. Western cũng ước tính có thể tiết kiệm được một khoản tương đương đối với chi phí tủ bảng điều khiển với hệ thống điều khiển số tích hợp. Western bắt đầu triển khai áp dụng hệ thống điều khiển dạng PLC (programmable logic controller – bộ điều khiển có thể lập trình) vào năm 1996, trong một dự án thí điểm tại trạm biến áp 230 kV Fort Thompson. Trạm thí điểm gồm có 4 đường dây 230 kV sơ đồ thanh cái một máy cắt rưỡi. Trong thiết kế ban đầu chỉ thay thế duy nhất dây dẫn điều khiển trạm biến áp và không bao gồm hệ thống bảo vệ trong dự án này. Hệ thống PLC có máy tính chủ chạy ứng dụng phần mềm Wonderware InTouch làm giao diện người-máy (human-machine interface - HMI) cho hệ thống theo dõi và điều khiển tại chỗ. Sau khi hiệu chỉnh các thiết kế ban đầu, thiết kế PLC trở thành thiết kế chuẩn và được áp dụng ở 20 trạm biến áp trong vùng dịch vụ của Western. Chẳng bao lâu sau khi lắp đặt các công trình này, Western bắt đầu tìm kiếm các phương án thay thế hệ thống PLC. Năm 1998, Western tham dự buổi giới thiệu và trình diễn thiết kế hệ thống tích hợp của Công ty điện lực Philadelphia (PECO). Công nhân cơ khí bộ phận đo đếm và rơle (M&R) ở Western cảm thấy không thoải mái và tự tin khi làm việc trên PLC và logic bậc thang (ladder logic), nhưng đối với rơle vi xử lý thì họ lại cảm thấy thoải mái. Western cũng gặp phải những trường hợp lỗi trong điều khiển sử dụng PLC liên quan đến sử dụng giao diện giao thức với SCADA. Western cảm thấy rằng nếu chuyển đổi chức năng điều khiển từ PLC sang rơle vi xử lý và bộ xử lý thông tin thì sẽ giải quyết được các vấn đề về độ tin cậy và sự thoải mái trong vận hành mà các nhân viên bộ phận M&R đã gặp phải với PLC. Cuối cùng, Western lựa chọn giải pháp có độ tin cậy cao là kết hợp các rơle vi xử lý và bộ xử lý thông tin thành hệ thống điều khiển số (Digital Control System - DCS) mới, thay thế cho nền dựa trên PLC và áp dụng thí điểm tại trạm biến áp Fort Thompson. Như đã từng áp dụng trong dự án PLC mấy năm trước đây, trạm thí điểm này gồm có 4 đường dây 230 kV với sơ đồ thanh cái một máy cắt rưỡi. Công ty điện lực Western (Mỹ) Khi chuyển đổi từ hệ thống điều khiển PLC thành hệ thống điều khiển DCS, Western cũng quyết định lắp đặt thêm một số phần tử bảo vệ, còn gọi là khóa cứng, cho hệ thống DCS. Kinh nghiệm từ hệ thống điều khiển PLC cho thấy trộn lẫn kỹ thuật số và logic cứng sẽ khiến mọi sự phức tạp hơn. Do những vấn đề về thiết kế và qui trình chế tạo, thời gian trung bình giữa hai lần sự cố (MTBF) và yêu cầu môi trường của hệ thống PLC, Western thấy không yên tâm khi lắp đặt bất kỳ chức năng bảo vệ nào trong hệ thống PLC. Và vì hệ thống DCS sử dụng rơle vi xử lý để điều khiển, nên dường như sẽ là tự nhiên khi lắp đặt chức năng khoá cứng vào hệ thống. Western chọn một rơle vi xử lý báo sự cố máy cắt duy nhất làm điểm “đầu vào” hệ thống DCS. Các đầu ra từ hệ thống DCS dùng các tiếp điểm từ rơle sự cố máy cắt và một trong các rơle đường dây làm tuyến điều khiển dự phòng cho máy cắt. Bộ xử lý thông tin được dùng trong hệ thống làm giao diện cho SCADA và HMI. Mặc dầu thiết kế DCS ban đầu này là bước đi đúng, nhưng rõ ràng là cần lặp lại phần thiết kế để nâng cao tính kinh tế và kết cấu đơn giản hơn. Bước lặp lại tiếp theo là sử dụng thông tin cáp quang thay cho thông tin cáp đồng và bố trí lại các đầu vào hệ thống DCS thành các cơ cấu I/O ngoài trời (Field Input/Output Device) lắp gần thiết bị trạm thay vì ghép đôi các đầu vào với sơ đồ nối dây song song tới thiết bị điện tử thông minh (Intellegent Electronic Device - IED) tập trung. Như vậy, thông tin số tích hợp cho phép I/O của các IDE có thể sử dụng cho nhiều chức năng trong DCS. Một tiếp điểm 52a duy nhất của giá dự phòng máy cắt, được đấu với cơ cấu I/O ở xa, được sử dụng để cung cấp trạng thái này cho cả hệ thống, kể cả các chức năng bảo vệ. Các điểm báo động chỉ được đấu với cơ cấu I/O tại thiết bị, thay vì được đấu dây riêng rẽ tới nhà điều khiển và nối vào một RTU. III Thiết kế DCS 1 Thiết bị điều khiển Bộ phận vận hành của Western yêu cầu khả năng cắt và đóng trở lại trong trường hợp sự cố thiết bị. Vì vậy, Western thiết kế bộ phận điều khiển dư thừa, đây là dạng thiết kế tự động hoá tiêu chuẩn nhằm loại trừ các điểm sự cố. Các tuyến điều khiển dư thừa được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp bộ xử lý thông tin hai cấp. Bộ xử lý thông tin cấp 1 nhận lệnh SCADA và phân phối lệnh này thông qua dữ liệu toàn cầu trên mạng Modbus Plus tới bộ xử lý thông tin cấp 2. Điều này tạo ra một điểm sự cố về SCADA với bộ xử lý thông tin cấp 1, nhưng với thời gian trung bình giữa hai sự cố (MTBF) là trên 200 năm, rủi ro này được chấp nhận và còn tốt hơn nhiều so với các RTU duy nhất hoặc dư thừa. Thiết bị I/O bên phải thực hiện các lệnh cắt và đóng các MOD. Nó cũng cung cấp thông tin cho DCS về trạng thái của 43LR, 52a và 52b. Thiết bị I/O bên trái cung cấp đầu vào cho DCS đối với các má cắt điện riêng lẻ. Từ các bộ xử lý thông tin cấp 2, các tín hiệu điều khiển được truyền tới các rơle bảo vệ độc lập. Từ các rơle bảo vệ, các tín hiệu dương, âm, cắt lần 1, cắt lần 2 và đóng lại được nối cứng bằng dây cáp 5/C tới máy cắt. Phần lớn tín hiệu cắt bảo vệ máy cắt được nối cứng từ các rơle bảo vệ. Một số tín hiệu cắt bảo vệ thanh cái được kết nối từ rơle này tới rơle khác thông qua bộ xử lý logic. Trong thiết kế này bộ rơle bảo vệ Set A và rơle sự cố máy cắt chính là các tuyến điều khiển dư thừa của máy cắt 345 kV. Rơle sự cố máy cắt độc lập cũng trực tiếp điều khiển sự tác động của các MOD liền kề tới máy cắt thông qua cáp quang. Trong thiết kế này có 11 MOD và hai bộ điều khiển cầu dao phụ tải tác động bằng động cơ (MOI). Chỉ có điện 1 chiều được sử dụng trong thiết bị MOD; việc điều khiển thực hiện bằng các cơ cấu I/O ở xa kết nối cáp quang. Các lệnh đóng/mở gửi thông qua sợi quang từ rơle sự cố máy cắt độc lập tới các cơ cấu I/O đặt xa. Các lệnh đóng trở lại, lệnh đường dây nóng (hot-line order), các trạng thái đồng bộ hoá và tại chỗ/giám sát đối với từng máy cắt được duy trì bằng các bit chuyển trạng thái (latch bit) trong các rơle riêng lẻ. Các bit chuyển trạng thái này được dùng trong logic bên trong của các rơle bảo vệ nhằm thực hiện chức năng điều khiển. Các hoạt động điều khiển HMI được gửi tới bộ xử lý thông tin cấp 2 thông qua mạng Modbus Plus. Việc này có thể thực hiện được ngay cả khi sự cố xảy ra ở bất kỳ hộp nào trong hệ thống mà vẫn duy trì điều khiển tại chỗ. 2. Máy tính trạm biến áp 2.1 Thiết kế phần cứng Công ty điện lực Western đã sử dụng phần mềm Wonderware làm HMI trong thiết kế số hóa của mình nhiều năm. Nhìn chung do đội ngũ lao động có hiểu biết hạn chế về phần mềm và máy tính cùng với những lo ngại liên quan về khả năng phản ứng lại với sự cố thiết bị, Western đã chọn một máy tính công nghiệp. Western đã mua nhiều PC dư thừa với nguồn điện dự phòng có thể hoán đổi và các ổ cứng dư thừa có thể hoán đổi. Các ổ cứng sử dụng bộ điều khiển RAID1 dạng SCSI để nhân bản các ổ cứng. Các PC được lắp trên giá trong tủ điều khiển. Để cách ly các PC khỏi các xung đột biến và cấp nguồn cho PC, Western lắp đặt các bộ biến đổi điện áp DC-AC, thường dùng AC nhưng có thể chuyển sang DC khi mất AC. Bộ biến đổi này là nguồn cung cấp điện vạn năng do nó có thể đổi nguồn cấp điện mà không làm gián đoạn nguồn cung cấp điện cho PC. Một bộ chuyển mạch bàn phím, màn hình, chuột (keyboard, video, mouse - KVM device) nối PC tới một bộ duy nhất các thiết bị ngoại vi gồm màn hình LCD, bàn phím, và chuột. 2.2 Thiết kế ứng dụng HMI Western sử dụng màn hình đôi làm giao diện người máy (HMI). Màn hình bên trái biểu thị sơ đồ một dây của trạm biến áp cùng với trạng thái. Công ty cũng sử dụng các nút ấn trên màn hình bên trái để điền các biến số khác nhau vào template màn hình bên phải cho bộ điều khiển PCB. Các nút bấm sẽ nổi lên khi con trỏ di vào bên trên. Các trạng thái 43LS, 79, và 85 được thể hiện trực tiếp trên màn hình. Các trạng thái tương ứng 43LR, 52a, và 52b làm chuyển màu phần biểu thị trạng thái máy cắt. Khi trạng thái 43LR nằm ở vị trí tại chỗ ở trong máy cắt, hộp trạng thái máy cắt có màu xám, với chữ M (có nghĩa bảo dưỡng) độc lập với vị trí máy cắt. Máy cắt đóng có màu đỏ, mở màu xanh lá cây. Quy trình Giải trừ hệ thống điện của Western nêu rõ hai qui trình đặt biển báo chính, một là cho HLO, hai là cho giải trừ. Western không đặt biển báo các điều khiển thiết bị đang giải trừ bằng các biển báo giải trừ hệ thống điện. Biển báo duy nhất được đưa vào HMI là dành cho các lệnh đường dây nóng. Biển báo HLO cho thấy việc đóng lại bị tắt đi và mạch đóng máy cắt đã bị gián đoạn. Trong hệ thống HMI, biển báo HLO không thể bật lên khi việc tự động đóng lại đang làm việc. HLO được thể hiện trên màn hình sơ đồ một sợi bằng một biển báo màu vàng và chỉ dẫn nhấp nháy trên màn hình điều khiển PCB. Nếu chọn chức năng đóng lại, trên màn hình hiển thị cảnh báo HLO, ngăn ngừa việc đóng lại. Màn hình điều khiển PCB có phần thể hiện mỗi chức năng bằng một chuyển mạch thực. Thể hiện bằng chuyển mạch là để HMI mang tính trực quan. Màn hình điều khiển PCB là như nhau cho mọi thiết bị, nhưng chỉ nhìn thấy được và thao tác được những chức năng thích hợp. Lấy ví dụ, chức năng 85 không thể thực hiện trên máy cắt dành riêng cho máy biến áp, hoặc lệnh đóng trở lại máy cắt cuộn kháng cũng không thực hiện được. HMI thực hiện bằng cách gửi lệnh tới các rơle bảo vệ và sau đó đọc hiện trạng thông qua bộ vi xử lý thông tin để thực hiện những thay đổi trên màn hình HMI. Các núm chuyển mạch xoay đi và đèn thay đổi màu sắc để thể hiện chính xác trạng thái thích hợp trên màn hình điều khiển PCB. IV. Lắp đặt thực tế Cáp quang Sử dụng cáp quang cho phép đưa các tín hiệu số đầu vào vào DCS tại các thiết bị. Western ước tính sẽ giảm được ít nhất 75% số đầu nối cáp điện một chiều. Lưu ý rằng mỗi dây cáp phải được lắp bộ đầu nối ở hai đầu, trong trường hợp này là tới khối đầu nối trong tòa nhà, sau đó là tới khối đầu nối trong RTU, cuối cùng là tới RTU. Tất cả sẽ được thay thế bằng một dây dẫn tủ bảng duy nhất tại thiết bị riêng lẻ này. Cùng thời điểm này, bộ xử lý logic bắt đầu có mặt trên thị trường. Thiết bị này cho phép các đầu vào số được phân phối theo thời gian thực giữa các rơle, và cung cấp thông tin theo thứ tự sự kiện (sequence-of-event - SOE) cho RTU. Bộ xử lý logic cho phép tiếp điểm 52a duy nhất từ máy cắt truyền tín hiệu số qua đường link thông tin tới rơle sơ cấp, rơle thứ cấp, rơle sự cố máy cắt, và RTU. Điều này làm giảm hơn nữa số đầu cuối cần thiết của các dây dẫn. Bộ xử lý logic cũng được dùng nhằm tạo ra hệ thống bảo vệ số mở rộng, kết nối tất cả các thiết bị lại với nhau để tạo nên một hệ thống bảo vệ tích hợp mở rộng. Do bộ xử lý logic sẽ được dùng cho thông tin SOE, nó phải nhận được thông số vận hành của rơle số. Chính thông tin này sẽ được gửi tới rơle sự cố máy cắt để khởi động sự cố máy cắt. Nhờ sử dụng bộ xử lý logic, có thể loại bỏ các chuỗi lệnh đóng qua các tủ điều khiển và đường dẫn khởi động sự cố máy cắt. Tất cả những loại logic cứng sẽ được thay thế bằng cáp EIA-232 và những cài đặt khác. Chức năng hồi cố Ngay từ đầu dự án thí điểm, Western đã có kênh thông tin với đội ngũ vận hành, họ cung cấp cho nhà sản xuất những phản hồi về yêu cầu vận hành của mình. Theo yêu cầu, các hệ thống điều khiển được thiết lập với độ dư thừa bởi vì đối với thiết kế mới, có sự quan ngại về khả năng phản ứng với sự cố thiết bị và khả năng sửa sự cố. Cũng vì lý do này, người ta sử dụng máy tính HMI dư thừa, nguồn điện dự phòng dư thừa và ổ cứng chạy các bộ điều khiển RAID 1 (Redundant Array of Independent Drives). Trung tâm mới của hệ thống, bộ xử lý thông tin, đã có giao thức Modbus Plus, vì vậy môđun thiết kế HMI trước đây của Western, cũng được dựng trên giao thức này trong PLC, đã được sử dụng, chỉ phải chỉnh sửa rất ít. V. Kết luận -- Thiết kế DCS sử dụng rơle tích hợp nên tòa nhà này nhỏ hơn 40% vì những hệ thống tích hợp nhỏ hơn nhiều so với hệ thống điều khiển PLC và RTU truyền thống. -- Western áp dụng quy trình tự động hoá mà họ đã phát triển để giảm chi phí xây dựng trạm biến áp mới. -- Hệ thống điều khiển hoặt động với độ ổn định cao và an toàn.