Báo cáo bài tập cuối kỳ học phần mô hình hóa hệ thống rời rạc

Mở đầu Trong lĩnh vực tự động hóa, các hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ xa SCADA Supervisory Control And Data Acquisition không chỉ được ứng dụng trong các dây ch

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Điện

BÁO CÁO BÀI TẬP CUỐI KỲ Học phần : Mô hình hóa hệ thống rời rạc

Giảng viên hướng dẫn : Ths Nguyền Tuấn Ninh

Họ tên sinh viên : Nguyễn Đăng Khải

Mã số sinh viên : 20170785

Lớp : CTCLC Tin học công nghiệp K62

Email : khai.nd170785@sis.hust.edu.vn

Mục lục

Table of Contents

Mục lục 2

Mở đầu 3

Chương I : Tổng quan chung – bài toán đặt ra 4

1.1 Tổng quan chung – mô tả hệ thống 4

1.2 Tính toán số lượng tín hiệu điều khiển đầu vào – ra 5

1.3 Lựa chọn PLC – card mở rộng – thiết kế hệ thống 9

Chương II: Hiệu chỉnh và mô phỏng lại hệ thống 10

2.1 Thiết kế sơ bộ hệ thống – Bài toán đặt ra 10

2.1.1 Mô phỏng hệ thống ban đầu 10

2.1.2 Bài toán đặt ra 11

2.2 Thiết kế liên động máy cắt – dao cách ly 12

2.1.1 Đường dây 110 Kv 12

2.1.2 Đường dây 35 Kv 17

2.1.3 Đường dây 22 KV – 10 KV 18

2.3 Thiết kế các Alarm – Trip 20

2.3.1 Sơ lược về lý thuyết các tín hiệu Alarm – Trip 20

2.3.2 Lập trình chi tiết các Alarm – Trip 21

2.4 Các đồ thị trend của các đường dây 25

Chương III : Kết luận 27

Tài liệu tham khảo 27

Mở đầu

Trong lĩnh vực tự động hóa, các hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ xa SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) không chỉ được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất tại nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, giúp cho việc vận hành hệ thống trở nên nhanh gọn và dễ dàng hơn, mà các hệ SCADA còn được sử dụng trong việc quản lý và giám sát các hệ thống lưới điện Đồng hành cùng sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, hệ thống điện lưới quốc gia cùng các thiết bị trong đó đã phát triển và gia tăng nhanh chóng về mặt số lượng cũng như là chất lượng (các thiết bị đặt tại thực địa hiện nay đã được tích hợp các công nghệ mới giúp việc điều khiển và giám sát từ xa trở nên dễ dàng hơn) Điều này đặt ra một thách thức mới trong quá trình quản lý và vận hành hệ thống lưới điện, để hệ thống hoạt động một cách hiệu quả cả về mặt kỹ thuật cũng như là kinh

tế, đồng thời tránh đi những sự cố, giảm thiểu tối đa những rủi ro có thể gặp phải trong quá trình hoạt động Chính vì vậy, việc tìm hiểu và hiệu chỉnh các hệ thống SCADA ( lập trình tính liên động của thiết bị, các cảnh báo cũng như đồ thị trong hệ thống…) trong vận hành trạm điện – lưới điện là một điều cần thiết trong quá trình học tập của các sinh viên chuyên ngành hệ thống điện cũng như tự động hóa – tin học công nghiệp

Em xin cảm ơn thầy Nguyễn Tuấn Ninh đã tham gia giảng dạy, giúp đỡ và cung cấp cho chúng em những kiến thức lý thuyết – thực tiễn quan trọng trong học phần

“ Mô hình hóa hệ thống rời rạc “, để từ đó chúng em có thể có đủ khả năng để thực hiện yêu cầu đặt ra trong hệ thống trên Mặc dù yêu cầu đã được hoàn thiện, song trong phần trình bày của em vẫn còn có một số các hạn chế về tính tối ưu, hiệu quả,… do thời gian tìm hiểu hệ thống, cũng như trình độ của bản thân… Chính vì vậy, em rất mong sẽ nhận được sự góp ý tới từ thầy và các bạn để có thể hoàn thiện hơn phần bài làm của mình

Em xin chân thành cảm ơn !!!

Hà Nội, ngày …tháng ….năm 2022

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đăng Khải

Chương I : Tổng quan chung – bài toán đặt ra

1.1 Tổng quan chung – mô tả hệ thống

- Để có thể nắm bắt được cách vận hành tổng quan của một hệ thống lưới điện và các hệ SCADA được ứng dụng trong đó, sinh viên đã tiến hành nghiên cứu và tìm hiểu về sơ đồ nhất thứ của một trạm biến áp cụ thể, ở đây là sơ đồ tổng quan đường dây 110 KV Đồng Văn E24.3

- Sơ đồ nhất thứ trên có thể được chia làm 3 phần chính, ứng với 3 màu sắc :

+ Màu đỏ ứng với đường dây 110 KV, gồm phần nguồn, các máy cắt được đánh số 171, 172, 131, 132, 112, cũng như hệ thống các dao cách ly, dao tiếp địa được đánh số ứng với máy cắt tương ứng

+ Màu hồng ứng với đường dây 35 KV, gồm 2 hệ thống đường dây được cấp nguồn từ 2 nhánh khác nhau Hệ thống bao gồm các máy cắt được đánh số từ 371 –

378, các dao cách ly – tiếp địa ứng với máy cắt và từ đó kết nối tới các nhà máy, khu công nghiệp như KCN Đồng Văn, Hòa Mạc, Thép Hưng Thịnh,…

+ Màu xanh ứng với đường dây 22KV/10KV, gồm 2 hệ thống đường dây cũng được cấp nguồn từ 2 nhánh khác nhau Hệ thống bao gồm các máy cắt được đánh số từ 472 – 478 & 971-975, các dao cách ly – tiếp địa ứng với máy cắt và từ đó kết nối tới các nhà máy, khu công nghiệp như Bạch Thượng, Duy Minh, Hoàng Đông,…

+ Giữa các hệ thống đường dây với các cấp điện áp khác nhau là hệ thống trạm biến áp 110 – 35/22 KV, đóng vai trò hạ áp, tạo điện áp phù hợp để hệ thống vận hành

1.2 Tính toán số lượng tín hiệu điều khiển đầu vào – ra

- Sau khi mô tả tổng quan sơ đồ trạm nhất thứ ở phần 1.1, sinh viên tiến hành tính toán ước lượng các tín hiệu điều khiển đầu vào đầu ra số / tương tự (Binary Input, Binary Output, Digital Output, Digital Input, Analog Input) dựa theo bảng thông số các dữ liệu chuẩn về số lượng tín hiệu của trạm biến áp Đồng Văn :

- Do quy mô của bài tập, sinh viên được phân công tìm hiểu từng phần trong hệ thống đường dây trạm biến áp Đồng Văn cụ thể như sau :

+ Phần đường dây 110 KV : Ngăn lộ 131 với máy biến áp

+ Phần đường dây 35KV : Ngăn lộ tổng 35KV T1 - máy cắt 331, thanh cái 35kV số 1,

+ Phần đường dây 22KV / 10KV : Thanh cái 10kV số 1 (C91) và Ngăn lộ tổng 22KVT1 – máy cắt 931

- Từ bảng số liệu trên kết hợp với các nội dung sinh viên đã tìm hiểu trong hệ thống, sinh viên tiến hành tính toán số tín hiệu vào – ra trong hệ thống :

Số tín hiệu

INPUT 2 bit

OUTPUT 1 bit

OUTPUT 2 bit Ngăn lộ 131

1.3 Lựa chọn PLC – card mở rộng – thiết kế hệ thống

- Trên thực tế, hệ thống đường dây & trạm điện sẽ sử dụng các RTU560 (Remote Terminal Unit) kết hợp các card I/O mở rộng, Có 3 loại card ứng với các tín hiệu

AI, DI, DO tương ứng là 23AE21/23, 23BE21/23 và 23BA20

- Do số tín hiệu AI tối đa của board 23AE21/23 là 8, nên số board sinh viên sử dụng trong hệ thống sẽ là :

32 = 28,1%

- Tiếp đó, sinh viên đề xuất cấu hình hệ thống để gửi về trung tâm điều độ

- Các thiết bị trong hệ thống như nguồn (PSU), bộ điều khiển (CMU), các card I/O

mở rộng sẽ được gắn trên cùng một rack và sau đso sẽ kết nối dữ liệu theo chuẩn 101/104

Chương II: Hiệu chỉnh và mô phỏng lại hệ thống

2.1 Thiết kế sơ bộ hệ thống – Bài toán đặt ra

2.1.1 Mô phỏng hệ thống ban đầu

- Do yêu cầu thực tiễn và giới hạn học phần, sinh viên sẽ thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm Control Builder F đối với PLC ABB700F thay vì RTU560 Sinh viên cũng sẽ tiến hành hiệu chỉnh, bổ sung các tính năng dựa trên một bản mô phỏng có sẵn của hệ thống trạm điện Đồng Văn

Màn hình HMI sơ đồ lưới 110KV

- Trong bản mô phỏng, hệ thống trang HMI ban đầu có 8 phần :

+ Phần lưới 110KV

+ Phần đường dây 35 KV

+ Phần đường dây 22KV

+ Phần máy cắt 171 thuộc đường dây 110KV

+ Phần máy cắt 172 thuộc đường dây 110KV

+ Phần máy cắt liên lạc 112

+ Phần máy cắt 131 thuộc đường dây 110 KV

+ Phần máy cắt 132 thuộc đường dây 110 KV

- Trong phiên bản mô phỏng ban đầu, hệ thống đã vận hành được một số các tính năng và thao tác cơ bản như hiển thị các trạng thái đóng cắt khác nhau của một số máy cắt – dao cách ly, đổi màu các đường dây điện tượng trưng cho trạng thái của đường dây, Ngoài ra hệ thống cũng đã cung cấp một số các đồ thị điện áp – dòng điện cơ bản như đường dây của máy cắt 171, 172… cũng như hiển thị các thông số trên đường dây ( điện áp, dòng điện, công suất,…)

- Tuy nhiên hệ thống ban đầu vẫn còn một số các hạn chế, chưa đảm bảo về đặc tính kỹ thuật khi vận hành của các thiết bị trong hệ thống cũng như vẫn còn tồn tại một số các sai sót trong mô phỏng các thông số điện áp, công suất Sinh viên sẽ nêu cụ thể các vấn đề tồn đọng trong phần 2.1.2 dưới đây

2.1.2 Bài toán đặt ra

- Trong khuôn khổ kiến thức của học phần cũng như đề tài, sinh viên được phân công hoàn thiện một số các vấn đề của tồn đọng của phiên bản mô phỏng ban đầu như sau :

+ Tính liên động của hệ thống máy cắt – dao cách ly ký hiệu 131 ( đường dây 110KV), 331 (đường dây 35KV) và 931 (đường dây 10KV): Tính liên động của hệ thống được thể hiện qua thứ tự thao tác thiết bị đảm bảo yếu tố kỹ thuật như sau :

• Khi chưa đóng điện vào đường dây, hệ thống dao cách ly gắn với máy cắt phải được đóng vào trước, sau đó người vận hành mới được thao tác đóng máy cắt

• Ngược lại, khi hệ thống đang có điện, máy cắt phải được mở ra trước để ngắt dòng, sau đó người vận hành mới được thao tác mở các dao cách ly

• Trong các trường hợp khác, khi người dùng cố tình thao tác sai trình tự, hệ thống sẽ hiển thị các cảnh báo để nhắc nhở và không để người dùng thực hiện thao tác

+ Bổ sung thêm các trend – các đồ thị về điện áp – dòng điện – công suất thực / phản kháng của đường dây 35 – 10 KV

+ Bổ sung thêm các cảnh báo alarm / trip thuộc phần đường dây của máy cắt

131

+ Chỉnh sửa một số sai sót trong hiển thị ở màn hình HMI

2.2 Thiết kế liên động máy cắt – dao cách ly

2.1.1 Đường dây 110 Kv

- Để có thể tiến hành lập trình liên động cho hệ máy cắt – dao cách ly 131 trên đường dây, sinh viên đã tạo ra khối FBD bằng ngôn ngữ ladder đóng vai trò làm tín hiệu enable, để cho phép các tín hiệu đầu vào như CB131_R_C ( đối với trường hợp đóng điện) và DS_131_1_R_O & DS_131_3_R_O ( đối với trường hợp ngắt điện) được xuất tín hiệu ra ngoài, đảm bảo yêu cầu về liên động đã được nêu ở trên

Khối FBD do sinh viên tạo ra

- Khối chức năng sẽ gồm 2 đầu vào IN, 2 đầu ra OUT và 1 tín hiệu enable Khi tín hiệu Enable có giá trị true, thì các tín hiệu từ đầu vào sẽ được xuất ra ở đầu ra tương ứng và ngược lại

- Kế đó, sinh viên tiến hành lập trình FBD ứng với các trường hợp liên động : + Khi đóng điện, tín hiệu DS_131_1_W_C & DS_131_3_W_C sẽ đóng vai trò làm tín hiệu enable Khi 2 biến trên đồng thời mang giá trị true, tín hiệu của máy cắt CB_131_R_C và CB_131_R_O mới được xuất ra ngoài, và điều khiển hệ thống

+ Khi ngắt điện, tín hiệu CB_131_W_O đóng vai trò làm tín hiệu enable Khi biến này mang giá trị true, các tín hiệu DS_131_1_R_O & DS_131_3_R_O mới được xuất ra ngoài, và điều khiển hệ thống

Sơ đồ khối lập trình FBD

- Sau khi đã lập trình FBD, sinh viên chuyển sang lập trình giao diện HMI cho hệ thống, với việc thêm một biến X131

- Biến này sẽ hiển thị dạng dấu X với giá trị bằng 0, và biến mất khi giá trị bằng 1

Để thỏa mãn yêu cầu hiển thị (khi hai biến CB_131_R_C và CB131_R_O cùng mang giá trị giống nhau, hoặc khi người dùng thao tác sai, tức là đóng máy cắt trước dao cách ly), thì biểu tượng sẽ hiển thị dưới dạng X, sinh viên đã tiến hành lập trình thêm trong phần FBD biến X131 như sau :

- Biến X131 sẽ chỉ mang giá trị 1 (tức là không hiển thị trên HMI) khi đồng thời biến close của dao cách ly 131_1 và 131_3 đóng, hoặc biến máy cắt đang mở, đồng

thời hai biến DS_131_1_W_O và DS_131_3_W_O đều mang giá trị 0, tức là dao cách ly chưa mở ra

- Khi mới chỉ đóng 1 trong 2 dao cách ly, nếu người dùng cố thay đổi giá trị biến CB_131_R_C lên true, máy cắt CB131 sẽ hiển thị kí hiệu X, và điện sẽ không thể xuống tiếp Điện sẽ chỉ tiếp tục xuống dưới được khi người dùng đóng đủ 2 dao cách ly và đóng máy cắt

- Khi ngắt điện, nếu người dùng cố tình mở dao cách ly trước, dao cách ly sẽ báo

ký hiệu X, đồng thời hiện cảnh báo cho người dùng :

- Cảnh báo sẽ nhắc nhở người dùng chú ý không được phép thao tác như trên và tiếp tục cho hệ thống chạy điện

- Người dùng sẽ chỉ có thể ngắt điện hệ thống khi đã mở máy cắt (tức là biến CB_131_R_O mang giá trị true), và sau đó là ngắt 2 dao cách ly tương ứng

2.1.2 Đường dây 35 Kv

- Tương tự với đường dây 110 KV ở trên, sinh viên cũng tiến hành lập trình FBD

và giao diện HMI tương ứng cho hệ thống, ứng với máy cắt số hiệu 331 và dao cách ly 331-1 và 331-3 :

- Nếu người dùng cố đóng máy cắt 331 trước khi 2 dao cách ly 931-1 và 931-3 đóng, hệ thống phía sau sẽ không có điện (dòng điện ký hiệu màu hồng với phần đường dây còn lại và màu vàng với phần dây mà sinh viên được phân công)

- Toàn bộ đường dây khi được cung cấp điện :

2.1.3 Đường dây 22 KV – 10 KV

- Tương tự với đường dây 110 KV – 35KV ở trên, sinh viên cũng tiến hành lập trình FBD và giao diện HMI tương ứng cho hệ thống, ứng với máy cắt số hiệu 931

:

‘- Nếu người dùng cố đóng máy cắt 931 trước khi 2 dao cách ly 931-1 và 931-3 đóng, hệ thống phía sau sẽ không có điện (dòng điện màu đỏ với phần dây mà sinh viên được phân công)

- Toàn bộ đường dây khi cung cấp điện :

2.3 Thiết kế các Alarm – Trip

2.3.1 Sơ lược về lý thuyết các tín hiệu Alarm – Trip

- Trong các hệ thống SCADA, các tín hiệu Alarm – Trip đóng vai trò quan trọng khi nó cảnh báo người vận hành những vấn đề mà hệ thống đang gặp phải, để từ đó người vận hành có các biện pháp xử lý phù hợp

+ Tín hiệu Alarm : là các tín hiệu cảnh báo, tuy nhiên chưa tới ngưỡng người vận hành phải tác động vào hệ thống

+ Tín hiệu Trip : là các tín hiệu bảo vệ thường có dạng ON/OFF, báo hiệu đã

có tác động trong hệ thống

- Dưới đây là bảng các tín hiệu liên quan đến hệ SCADA cho thiết bị nhất thứ (máy biến áp) :

- Sinh viên được giao nhiệm vụ lập trình và thiết kế các cảnh báo cho đường dây

có máy cắt 131 gồm các tín hiệu Alarm và Trip như sau : trip 26, trip 49, trip 86, trip 87, trip 96 , alarm 26, alarm 49, alarm 96

2.3.2 Lập trình chi tiết các Alarm – Trip

- Sinh viên tiến hành lập trình bằng ngôn ngữ FBD, sử dụng các khối alarm được cấu hình cụ thể như dưới đây :

- Các tín hiệu alarm/trip tương ứng sẽ được đặt ở đầu vào của khối

- Đồng thời, sinh viên cũng thực hiện việc cấu hình trang HMI tương ứng để hiển thị các cảnh báo dưới dạng danh sách (List), và các trip/alarm khi xuất hiện cần phải được acknowledge để biến mất

- Khi các tín hiệu mô phỏng alarm/trip có giá trị true, các alarm và trip trong HMI

sẽ nhấp nháy báo hiệu đỏ cho người dùng, kèm theo thông báo cụ thể về trip hiện tại Trong hình dưới đây, trip 96 đang ở trạng thái 1 :

- Khi người dùng click vào mục message, sẽ hiện ra danh sách các trip kèm theo thời gian

- Để tắt các trip, người dùng cần click vào ack_block và sau đó đưa tín hiệu mô phỏng về 0

- Ngoài ra, sinh viên cũng thiết lập cảnh báo khi người dùng cố tình thao tác không đúng trình tự, ví dụ như khi hệ thống đang có điện và người dùng muốn cắt dao cách ly trước máy cắt, hệ thống sẽ hiện lên cảnh báo nhắc nhở người dùng không được phép thao tác