GIÁO TRÌNH hệ THỐNG điều KHIỂN GIÁM sát và THU THẬP dữ LIỆU TRONG hệ THỐNG điện SCADA CHƯƠNG mở đầu

Trong những hệ thống SCADA dù ít hay nhiều cũng được thực hiện những nguyên tắc như: làm việc với thời gian thực, sử dụng một khối lượng tương đối lớn thông tin thừa tần số cập nhật dữ

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

VÀ THU THẬP DỮ LIỆU (Supervisory Control And Data Acquisition system)

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1 Giới thiệu chung

2 Các hệ thống SCADA

3 Các lĩnh vực ứng dụng

CHƯƠNG M Ở ĐẦU :

Mở đầu

Supervisory Control And Data Acquisition

(SCADA) = công nghệ tự động hóa + điều khiển Đang phát triển và có khuynh hướng phát triển ở trong mọi lĩnh vực của công nghiệp

Trong mười năm trở lại đây ở các nước tiên tiến quan tâm mạnh mẽ

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghê thông tin

đã làm tăng mức độ tự động hoá và phân bố lại chức năng giữa con người với thiết bị và sinh ra vấn đề tương tác giữa con người – quan sát viên với hệ thống điều khiển

SCADA đã được đặt lên hàng đầu ở những nước phương tây vào những năm 80 thế kỷ XX Ở Việt Nam 90-x

CHƯƠNG M Ở ĐẦU :

Các lĩnh vực ứng dụng SCADA

Hệ thống SCADA ứng dụng hiệu quả nhất trong vấn

đề tự động hoá điều khiển quá trình liên tục và phân

Viễn thông

Quân sự

Các hệ thống SCADA

Wonderware Advantech Iconics AdAstra Schneider Electric

Ci Technologies United States DATA Co

Rockwell Software Inc

National Instruments Intellution

Siemens InSAT

GE Fanuc Obedinenie Uig Axeda

Crug Elipse Software

Company

USA Taiwan USA Russia France Australia USA

USA USA USA Germany Russia USA Ucraina USA Russia USA

Ứng dụng trong lĩnh vực cung cấp nước

Ứng dụng trong lĩnh vực phân phối gas

Ứng dụng trong lĩnh vực dầu khí

Ứng dụng điều khiển hệ thống chiếu sáng

Ứng dụng điều khiển hệ thống điện năng

SCADA qua vệ tinh

SCADA l à gì?

SCADA – quá trình thu thập dữ liệu thời gian thực từ các đối tượng để xử lý, biểu diển, lưu trữ, phân tích và có

khả năng điều khiển những đối tượng này

Các hệ thống SCADA hiện đại là một giai đoạn phát triển

hệ thống tự động hoá trước đây, chính là hệ thống truyền tin và báo hiệu (Telemetry and Signalling)

Trong những hệ thống SCADA dù ít hay nhiều cũng

được thực hiện những nguyên tắc như: làm việc với thời gian thực, sử dụng một khối lượng tương đối lớn thông

tin thừa (tần số cập nhật dữ liệu cao), cấu trúc mạng,

nguyên tắc hệ thống và môdun mở, có thiết bị dự trữ để

làm việc trong trạng thái “dự trữ nóng”, …

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

1-1 KHÁI QUÁT CHUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

1-1 KHÁI QUÁT CHUNG

SCADA (viết tắt tiếng Anh: Supervisory Control And Data Acquisition) hiểu

theo nghĩa truyền thống là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa

Trong HTĐ cần có các thao tác như đóng mở máy cắt, dao cách ly, theo dõi đọc số liệu từ xa,…nhưng chi phí để duy trì nhân viên tại chỗ tỏ ra không hợp

lý, ngoai ra việc xử lý chậm trễ của nhân viên kỹ thuật khi xảy ra sự có thể kéo dài thêm thời gian khắc phục sự cố và làm giảm chất lượng phục vụ khách hàng Hơn nữa chi phí duy trì nhân viên vận hành tại chỗ sẽ càng tăng cao khi thực hiện các thao tác đóng cắt, điều này làm cho chi phí đó trở nên không

kinh tế

-Khả năng thực hiện các hoạt động tại một trạm điện không có nhân viên kỹ thuật, gọi là trạm không người trực được thực hiện từ Trung tâm điều độ địa phương hoặc từ Trung tâm điều độ vùng/miền Điều đó tiết kiệm được rất

nhiều chi phí trong quản lý, vận hành hệ thống điện (HTĐ), nhưng phải đảm bảo các hoạt động được thực hiện tin cậy, chính xác theo yêu cầu

1-1 KHÁI QUÁT CHUNG

-Đây là những nguyên nhân chủ yếu làm cho các hệ thống điều khiển giám sát

và thu thập số liệu, gọi tắt bằng tiếng anh là SCADA phát triển trong hệ thống

-Thiết bị điều khiển từ xa các thiết bị điện đã được sử dụng trong nhiều năm gần đây và nhu cầu về thông tin cũng như điều từ xa dẫn đến sự phát triển các

hệ thống thiết bị có khả năng thực hiện các thao tác, kiểm soát chúng và báo cáo lại với Trung tâm điều độ các thao tác điều khiển theo yêu cầu đã thực

hiện có kết quả; đồng thời cũng cần thông báo các thông tin quan trọng khác như các thông số vận hành của lưới điện như dòng điện, điện áp, công suất,

tần số tới Trung tâm điều độ

-Hiện nay tại các Trung tâm điều độ miền Bắc, Trung, Nam, Trung tâm điều

độ hệ thống điện quốc gia và hầu hết các trạm biến áp từ cấp điện áp 110 kV trở lên ở nước ta đều được trang bị hệ thống SCADA Hệ thống này rất có

hiệu quả trong giám sát, điều khiển vận hành HTĐ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.2 SỰ PHÂN CẤP QUẢN LÝ CỦA HỆ THỐNG SCADA

- Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với một hệ thống công nghiệp bất kỳ

- Đối với HTĐ, đặc thù của nó là quy mô của hệ thống sản xuất rất lớn, trải trên một không gian rộng, và bao gồm nhiều phần tử, thiết bị với các chức năng, nguyên lý làm việc khác nhau, đó đó việc sử dụng một

hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhiệm hết tất cả các chức năng giám sát và điều khiển là hết sức phức tạp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.2 SỰ PHÂN CẤP QUẢN LÝ CỦA HỆ THỐNG SCADA

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.2 SỰ PHÂN CẤP QUẢN LÝ CỦA HỆ THỐNG SCADA

-Phần tử có chức năng giám sát các thông số vận hành của lưới,

- điều khiển ra lệnh cho các phần tử đóng cắt, ghi chụp phân tích các

sự cố xảy tra trên lưới

có chức năng chủ yếu là thu thập số liệu từ các IED do nó quản lý,

lưu lại trong cơ sở dữ liệu, phục vụ các nhu cầu đọc dữ liệu tại chỗ

qua các giao diện người máy HMI

Chức năng và nhiệm vụ của C ấp I

Chức năng và nhiệm vụ của C ấpI I

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.2 SỰ PHÂN CẤP QUẢN LÝ CỦA HỆ THỐNG SCADA

Thực hiện việc thu thập số liệu từ các Điều khiển trạm SS

(Substation Server) và RTU, thực hiện các chức năng tính toán

đánh giá trạng thái của hệ thống, dự báo nhu cầu phụ tải và

thực hiện các chức năng điều khiển quan trọng như việc phân

phối lại công suất giữa các nhà máy, lên kế hoạch vận hành của

toàn hệ thống

Chức năng và nhiệm vụ của C ấp III

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.3 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG SCADA

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

1.3.1 Chức năng giám sát

1.3.2 Chức năng điều khiển

1.3.3 Quản lý và lưu trữ dữ liệu

1.3.4 Tính năng thời gian thực

§1.3 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG SCADA

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

1.3.1 Chức năng giám sát

1) Giám sát và đảm bảo được tính chính xác toàn bộ các thông số vận

hành của hệ thống như dòng điện, điện áp, công suất, tần số, vị trí nấc của máy biến áp,…

2) Giám sát được các trạng thái của các phần tử đóng cắt trong hệ

thống Đó là trạng thái đóng/mở của máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa,…

1.3.2 Chức năng điều khiển

1) Quá trình điều khiển phải chính xác, tin cậy

Trong quá trình thực hiện các thao tác đóng/mở máy cắt, dao cách ly,

điều khiển chuyển nấc phân áp của máy biến áp,… từ xa ( từ Trung tâm

điều độ vùng/miền hoặc quốc gia phải đảm bảo tuyệt đối tin cậy, không

được nhầm lẫn, có nghĩa là các thao tác phải được giám sát chặt chẽ về

tính liên động phối hợp giữa máy cắt, dao cách ly và các thiết bị liên quan tuân theo quy trình quy phạm vận hành của hệ thống

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.3 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG SCADA Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng sau :

1.3.2 Chức năng điều khiển

2) Cài đặt thông số từ xa

Khi có sự thay đổi về cấu trúc của lưới hoặc nâng cao công suất chống quá tải thì các thông số vận hành của lưới và thiết bị sẽ thay đổi, vì vậy ta

cần phải đặt lại các thông số chỉnh định bảo vệ rơ le hoặc thay đổi tỷ số

biến đổi trong các thiết bị đo đếm như đồng hồ và công tơ cho phù hợp với thực tế Việc cài đặt này có thể được thực hiện từ xa tại các Trung tâm điều

độ vung/miền hoặc quốc gia

1.3.3 Quản lý và lưu trữ dữ liệu

Giám sát được các sự cố xảy ra trên lưới cũng như của các thiết bị, cảnh

báo sự cố bằng âm thanh, màu sắc hoặc thông báo trên màn hình hiển thị,

ghi lại được các chuỗi sự kiện, sự cố xảy ra và xác định chuẩn đoán sự cố

Tất cả các chức năng trên của hệ thống phải được bảo mật ở mức cao

nhất và tuyệt đối tin cây

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.3 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG SCADA Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng sau :

1.3.4 Tính năng thời gian thực

SCADA là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong

thời gian thực, do đó tính năng thời gian của hệ thống là rất cần thiết và quan trọng Sự hoạt động bình thường của hệ thống kỹ thuật nói chung, hệ thống điện nói riêng làm việc trong thời gian thực không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đầu ra, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết

quả

Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống Bus phải có những đặc điểm sau :

1) Độ nhạy nhanh: Tốc độ truyền thông tin hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu

cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể

2) Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời

gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm

3) Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu

một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định

4) Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây thiệt

hại thêm cho toàn bộ hệ thống

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.4 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU HỆ THỐNG SCADA CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

1 Trạm thu thập dữ liệu trung gian:

2 Trạm điều khiển giám sát trung tâm

§1.4 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU HỆ THỐNG SCADA

Trạm điều khiển giám sát trung tâm:

là một hay nhiều máy chủ trung tâm (central host computer server)

các mạng truyền thông công

nghiệp, các thiết

bị viễn thông và các thiết bị

chuyển đổi dồng kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ

Giao diện người

- máy HMI (Human - Machine Interface):

Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống

CƠ CẤU HỆ THỐNG SCADA

§1.5 GIỚI THIỆU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN HỆ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

Đến năm 2000, các chuẩn truyền thông như IEC870-5-101/104 và DNP 3.0

ra đời đã phổ biến trong việc sản xuất các thiết bị cũng như giải pháp cho hệ thống SCADA Các thiết bị cảm biến thu thập dữ liệu được thay thế bằng các thiết bị vào ra I/O (Intput/Output) sử dụng các chuẩn giao thức mở như

Modicon MODBUS dựa trên chuẩn giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol)

§1.5 GIỚI THIỆU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN HỆ

THỐNG SCADA:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.5 GIỚI THIỆU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN HỆ

THỐNG SCADA:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát SCADA là một hệ

thống bao gồm các thiết bị đầu cuối RTU làm nhiệm vụ nhận tín hiệu

điều khiển từ trạm vận hành trung tâm và thu thập dữ liệu từ các thiết bị

cảm biến tại hiện trường gửi dữ liệu trả lại trạm chủ thông qua một hệ

thống truyền thông Các trạm chủ hiển thị các thông số thu thập được

và đồng thời cho phép người vận hành có thể điều khiển được thiết bị

từ xa

Ưu điểm của hệ thống SCADA là các dữ liệu chính xác và kịp thời

(thường là thời gian thực) cho phép tối ưu hóa hoạt động của nhà máy

và quá trình Hơn nữa hệ thống SCADA luôn có hiệu quả hơn, độ tin

cậy cao và an toàn hơn trong vận hành

§1.5 GIỚI THIỆU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN HỆ

THỐNG SCADA:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

Công nghệ SCADA đã hình thành và phát triển rất sớm cùng với sự canh

tranh của hai công nghệ khác là điều khiển phân tán DCS (Distributed

Control System) và bộ điều khiển logic lập trình PLC (Programmale Logic Controllers) Một đặc điểm khác nhau cơ bản nhất giữa hệ thống SCADA và các hệ thống điều khiển quá trình khác là hệ thống SCADA có thể giám sát

và điều khiển các thiết bị từ khoảng cách rất xa bởi vì hệ thống SCADA sử dụng các phương pháp truyền thông hiện đại còn các hệ thống điều khiển

quá trình khác chỉ sử dụng phương pháp nối dây trực tiếp

§1.6 THÀNH PHẦN HỆ THỐNG SCADA

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

Một hệ thống SCADA bao gồm một số các thiết bị đầu cuối RTUs (Remote Terminal Unit) làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu quay trở lại

trạm chủ thông qua một hệ thống truyền thông Trạm chủ hiển thị các dữ

liệu thu được và cho phép người vận hành thực hiện các nhiệm vụ điều

khiển từ xa

Các dữ liệu chính xác và kịp thời cho phép tối ưu hoá các hoạt động nhà máy và quá trình Lợi ích khác của hệ thống SCADA là hiệu quả hơn, độ tin cậy cao, chi phí vận hành thấp và quan trọng nhất là an toàn hơn trong hoạt động

§1.6 THÀNH PHẦN HỆ THỐNG SCADA

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

Một hệ thống SCADA phức tạp có năm cấp độ cơ bản sau:

• Thiết bị đo và thiết bị điều khiển;

• Trạm đầu cuối và thiết bị đầu cuối RTU;

ưu dữ liệu

Trạm chủ (hoặc các trạm con) thu thập dữ liệu từ RTUs khác nhau và

thường cung cấp một giao diện điều hành cho hiển thị các thông tin và kiểm soát các thiết bị trường từ xa Trong các hệ thống từ xa lớn, các trạm con tại công trường thu thập thông tin từ các thiết bị từ xa và gửi thông tin trở lại

trạm chủ để kiểm soát tổng thể

Các phần mềm thuộc quyền sở hữu là các phần mềm SCADA nhà cung cấp

hệ thống SCADA thiết kế ra để giao tiếp với phần cứng của họ

Vấn đề chính với hệ thống này là sự phụ thuộc quá nhiều vào các nhà cung cấp hệ thống

Vì vậy các phần mềm mở được sử dụng phổ biến hơn phổ biến vì khả năng tương tác của họ mang lại cho hệ thống

Thường các phần mềm mở có khả năng trộn các nhà sản xuất thiết bị khác nhau trên cùng một hệ thống

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

1.6.3 Cáp truyền thông

Có rất nhiều loại cáp truyền thông được sử dụng trong hệ thống SCADA

Thông tin trong ngành Điện lực được truyền tải thông qua các hình thức sau:

1 Các kênh cao tần theo tuyến đường dây tải điện PLC (Poweer Line Carrier)

Sử dụng các đường dây điện lực, dây chống sét hoặc các đường cáp đặt cách ly trong chúng để tạo kênh cao tần truyền tin Việc sử dụng đường dây điện lực để

truyền thông tin cao tần được thực hiện theo các sơ đồ: Dây phát – Dây nhận, Dây pha – Dây đất, Dây pha – Dây pha, Dây pha của lộ này – Dây pha của lộ khác Việc

sử Việc sử dụng đường dây chống sét (DCS) truyền tin được thực hiện theo các sơ đồ: DCS – DCS, DCS – Dây đất, hai DCS – Dây đất

Các đường cáp đặt cách ly trong đường dây điện lực hoặc trong dây chông sét

cũng được thực hiện theo các sơ đồ tương tự

2 Các kênh theo đường cáp ngầm dưới đất hoặc dây hữu tuyến trên không,

thường sử dụng loại cáp đối xứng hoặc cáp đồng trục

3 Các kênh liên lạc sử dụng vô tuyến chuyển tiếp hay vi ba với bước sóng

1÷10cm

4 Các kênh vô tuyến sóng ngắn, bước sóng từ 10 – 50cm

5 Các kênh cáp quang chôn ngầm dưới đất hoặc đặt theo đường dây truyền tải

điện

6 Các kênh thuê của ngành bưu điện