Tổng quan về hệ thống SCADA trong hệ thống thông tin điện lực (đồ án thực tập)

DANH MỤC BẢNGBảng 1.1 Các loại tổng đài và thiết bị truyền dẫn trên đường trục thông tin B-N 12 Bảng 1.2 Các nút thông tin, kênh truyền dẫn trên mạng đường trục miền Nam16 Bảng 1.3 Các n

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực tập này, chúng em luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉbảo tận tình của Th.S Lê Thị Trang Linh, giảng viên khoa công nghệ thông tintrường Đại học Điện lực, thầy đã giành nhiều thời gian hướng dẫn, giúp đỡ tậntình chúng em trong quá trình thực tập

Chúng em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trườngĐại học Điện Lực và đặc biệt các thầy cô trong khoa Công Nghệ Thông Tin,những giảng viên đã tận tình giảng dạy và truyền đạt cho chúng em những kiếnthức, kinh nghiệm quý báu trong suốt những năm học tập và rèn luyện ở trườngĐại học Điện Lực

Hà Nội, ngày 13 tháng 05 năm 2014

Sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐIỆN LỰC

9

1.2 Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin điện lực 91.3 Cấu trúc và cơ sở hạ tầng hệ thống thông tin điện lực 11

2.6.2 RTU (Remote Terminal Unit) 24

2.7.3 Truyền thông giữa máy tính chủ và RTU 26

2.7.5 Truyền thông giữa các trung tâm điều khiển 28

2.10.Cách thức thu thập và xử lý dữ liệu SCADA 31

2.10.3 Dữ liệu đo lường trạng thái ( Status) 33

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG SCADA TRONG HTTT ĐIỆN LỰC 37

3.3.1 Các dạng truyền thông trong truyền tải điện 40

3.3.2 Phương thức truyền thông 42

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các loại tổng đài và thiết bị truyền dẫn trên đường trục thông tin B-N

12

Bảng 1.2 Các nút thông tin, kênh truyền dẫn trên mạng đường trục miền Nam16

Bảng 1.3 Các nút thông tin và kênh truyền dẫn trên mạng đường trục miền

Bảng 1.4 Các nút thông tin và kênh truyền đẫn trên mạng đường trục miền Bắc

19

Bảng 2.1 Các thành phần chính của hệ thống SCADA 23

DANH MỤC BẢNG

Hình 1.1 Biểu diễn mối liên hệ các thành phần trong hệ thống thông tin 9

Hình 1.4 Toàn bộ mạng đường trục khu vực này và các nút thông tin quan trọng

15

Hình 1.5 Toàn bộ mạng đường trục khu vực này và các nút thông tin quan trọng

16

Hình 1.6 Các tuyến thông tin và các nút trên đường trục khu vực miền Bắc 18

Hình 1.7 Mạng nhánh HTTT điện lực khu vực miền Bắc 20

Hình 3.1 Sơ đồ mô tả hệ thống SCADA cho nhà máy 38

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

TPS Hệ thống xử lý giao dịch - Transaction processing

LỜI MỞ ĐẦU

Khác với các ngành công nghiệp khác, việc sản xuất, truyền tải và sử dụngđiện năng xảy ra một cách đồng thời Hệ thống điện (HTĐ) là một thể thốngnhất, có thể trải dài và bao trùm cả một vùng rộng lớn, có rất nhiều phần tử Bất

cứ một thay đổi hay một sự cố xảy ra trên một phần tử nào đó đều ảnh hưởng ítnhiều toàn bộ hệ thống Tuy vậy, các phần tử của HTĐ thường nằm phân tán.Các nhà máy thường được xây dựng ở những nơi có nguồn năng lượng sơ cấpdồi dào, trong khi đó các phụ tải thường tập trung ở các vùng đô thị, khu côngnghiệp Từ các đặc điểm trên, một yêu cầu đặt ra là làm thế nào có thể đảm bảođược các mục tiêu: sản xuất và cung cấp điện liên tục, ổn định, an toàn, giáthành thấp

Trong xã hội hiện đại với sự phát triển như vũ bão việc tự động hóa mọiviệc trở nên cần thiết, so sánh với việc phải tận tay tiếp xúc thì bằng các chươngtrình các hệ thống như hiện nay người điều hành đơn giản chỉ việc ngồi bấm nútthực hiện các thao tác từ xa mà vẫn đảm bảo được tốc độ và độ chính xác cầnthiết Hơn nữa bằng các hệ thống điều khiển từ xa con người có thể giảm thiểu

độ nguy hiểm trong công việc Cũng tương tự như các ngành khác ngành điệnlại càng cần một hệ thống điều khiển từ xa với độ chính xác cao và nhanh chóngnhư vậy Trước nhu cầu bức thiết đó hệ thống SCADA đã ra đời Hệ thốngSCADA đã nhanh chóng được áp dụng rộng rãi và ngay lập tức đã thể hiện được

ưu thế của mình

Trong bài này, nhóm em sẽ trình bày tổng quan về hệ thống SCADA trong

hệ thống thông tin điện lực Chúng em hy vọng sẽ nhận được sự ủng hộ, đónggóp chân thành từ phía thầy cô và các bạn Một lần nữa chúng em xin chânthành cảm ơn

1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐIỆN LỰC

1 Giới thiệu chương

Chương này cho ta cái nhìn tổng quan về hệ thống thông tin điện lực, hiểuđược các thành phần và cấu trúc của hệ thống thông tin điện lực

2 Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin điện lực.

Khái niệm hệ thống: Trong các hoạt động của con người, các thuật ngữ

như hệ thống triết học, hệ thống pháp luật, hệ thống kinh tế, hệ thống thông tin

đã trở nên quen thuộc Một cách đơn giản và vấn tắt, ta có thể hiểu: Hệ thống làmột tập hợp vật chất và phi vật chất như người, máy móc, thông tin, dữ liệu, cácphương pháp xử lý, các qui tắc, quy trình xử lý, gọi là các phần tử của hệ thống.Trong hệ thống, các phần tử tương tác với nhau và cùng hoạt động để hướng tớimục đích chung

Khái niệm thông tin là một loại tài nguyên của tổ chức, phải được quản lý

chu đáo giống như mọi tài nguyên khác Việc xử lý thông tin đòi hỏi chi phí vềthời gian, tiền bạc và nhân lực Việc xử lý thông tin phải hướng tới khai thác tối

đa tiềm năng của nó

Khái niệm về hệ thống thông tin (HTTT)

Hệ thống thông tin (Information System - IS) là một hệ thống mà mục tiêutồn tại của nó là cung cấp thông tin phục vụ cho hoạt động của con người trongmột tổ chức nào đó Ta có thể hiểu hệ thống thông tin là hệ thống mà mối liên hệgiữa các thành phần của nó cũng như mối liên hệ giữa nó với các hệ thống khác

là sự trao đổi thông tin

Hình 1.1 Biểu diễn mối liên hệ các thành phần trong hệ thống thông tin

Hệ thống thông tin là một hệ thống bao gồm con người, dữ liệu, các quytrình và công nghệ thông tin tương tác với nhau để thu thập, xử lý, lưu trữ vàcung cấp thông tin cần thiết ở đầu ra nhằm hỗ trợ cho một hệ thống Hệ thốngthông tin hiện hữu dưới mọi hình dạng và quy mô

Hệ thống thông tin trong một tổ chức có chức năng thu nhận và quản lý dữliệu để cung cấp những thông tin hữu ích nhằm hỗ trợ cho tổ chức đó và cácnhân viên, khách hàng, nhà cung cấp hay đối tác của nó Ngày nay, nhiều tổchức xem các hệ thống thông tin là yếu tố thiết yếu giúp họ có đủ năng lực cạnhtranh và đạt được những bước tiến lớn trong hoạt động Hầu hết các tổ chứcnhận thấy rằng tất cả nhân viên đều cần phải tham gia vào quá trình phát triểncác hệ thống thông tin Do vậy, phát triển hệ thống thông tin là một chủ đề ítnhiều có liên quan tới bạn cho dù bạn có ý định học tập để trở nên chuyênnghiệp trong lĩnh vực này hay không

Các HTTT có thể được phân loại theo các chức năng chúng phục vụ:

 Hệ thống xử lý giao dịch (Transaction processing system - TPS)

là một hệ thống thông tin có chức năng thu thập và xử lý dữ liệu

về các giao dịch nghiệp vụ

 Hệ thống thông tin quản lý (Management information system MIS) là một hệ thống thông tin cung cấp thông tin cho việc báocáo hướng quản lý dựa trên việc xử lý giao dịch và các hoạtđộng của tổ chức

- Hệ thống hỗ trợ quyết định (Decision support system - DSS) là

ra quyết định, vừa có thể cung cấp thông tin để trợ giúp việc raquyết định.

 Hệ thống thông tin điều hành (Excutive information system EIS) là một hệ thống thông tin hỗ trợ nhu cầu lập kế hoạch vàđánh giá của các nhà quản lý điều hành

- Hệ thống chuyên gia (Expert System) là hệ thống thông tin thuthập tri thức chuyên môn của các chuyên gia rồi mô phỏng trithức đó nhằm đem lại lợi ích cho người sử dụng bình thường

 Hệ thống truyền thông và cộng tác (Communication andcollaboration system) là một hệ thống thông tin làm tăng hiệuquả giao tiếp giữa các nhân viên, đối tác, khách hàng và nhàcung cấp để củng cố khả năng cộng tác giữa họ

 Hệ thống tự động văn phòng (Office automation system) là một

hệ thống thông tin hỗ trợ các hoạt động nghiệp vụ văn phòngnhằm cải thiện luồng công việc giữa các nhân viên

3 Cấu trúc và cơ sở hạ tầng hệ thống thông tin điện lực.

Căn cứ trên kết cấu hiện có của Hệ thống thông tin Điện Lực Việt Nam, ta

có thể nghiên cứu cấu trúc của HTTT Điện Lực Việt Nam theo mô hình phânlớp Theo mô hình này, cấu trúc Hệ thống thông tin Điện Lực Việt Nam đượcphân thành 3 lớp rõ rệt

điện lực miền Nam A2 (thành phố Hồ Chí Minh).

Các nút trên đường trục chính được trang bị thiết bị truyền dẫn SDH/STM 16, thiết bị chuyển mạch đường trục PCM-16, các loại tổng đài PABX, gồm các nút sau:

TT Tên nút Thiết bị truyền dẫn Tổng đài Ghi chú

Bảng 1.1 Các loại tổng đài và thiết bị truyền dẫn trên đường trục thông tin B-N

Hình 1.2 Sơ đồ kết cấu mạng

Mạng đường trục chính (bachbone) HTTT Điện Lực Việt Nam

Mạng đường trục chính kết nối các các trung tâm điều độ A0, A1, A2, A3,các trạm biến áp 500 kV bắc-trung-nam Các nút thông tin trên mạng đường trụctạo thành năm mạch vòng (ring) như sau:

 Ring 1: A0 - Nho Quan: gồm các trạm: A0 - Hoà Bình

- Nho Quan

 Ring 2: Nho Quan – Hà Tĩnh, gồm các trạm: Nho

Quan - Thanh Hoá - Nghệ An - Hà Tĩnh.

 Ring 3: Hà Tĩnh - Đà Nẵng, gồm: Hà Tĩnh - QuảngBình - Quảng Trị - Huế - Đà Nẵng

 Ring 4: Đà Nẵng – Pleiku, gồm: Đà Nẵng - QuảngNam – Kontum – Pleiku

 Ring 5: Pleiku - A2, gồm: Pleiku – Kontum – Cujut –Dacklac - Bình Dương - Phú Lâm - A2

Các ring được thể hiện trên hình 1.3 như sau:

Hình 1.3 Các ring trên đường trục chính.

2 Mạng đường khu vực.

Mạng đường trục khu vực của HTTT Điện Lực Việt Nam, được chia làm 3miền Bắc, trung, nam Mạng đường trục này nối các nút thông tin trong khu vựcvới các nút các nút thông tin trên đường trục chính Các nút thông tin khu vực làcác TBA-110, TBA-220 quan trọng, các nhà máy điện lớn, các điện lực

Mạng đường trục sử dụng các kênh truyền dẫn quang, vi ba, PLC, hiện nay

do nhu cầu thông tin không ngừng thay đổi với xu hướng ngày một nhiều hơn,

để đáp ứng được kênh truyền đã đưa đến một xu thế dần thay thế các kênh PLCbằng các kênh dẫn quang như các tuyến Hoà Bình – Việt Trì, Thái Nguyên –Sóc Sơn, Mộc Châu - Hoà Bình, Mộc Châu - Sơn La điều này đồng nghĩa vớiviệc mở rộng các đường trục chính mạng thông tin khu vực

Việc thay thế dần các kênh truyền dẫn PLC bằng các kênh truyền dẫnquang đã cải thiện đáng kể về dung lượng đường truyền và nâng cao tính ổnđịnh và tin cậy cho các tuyến thông tin

Xét về mặt địa lý, chia mạng đường trục khu vực thành 3 phần (bắc, trung,nam) nhưng nếu xét về mặt kỹ thuật thì mạng đường trục của 3 khu vực nàytương đối giống nhau

Trên thực tế sơ đồ ghép nối các kênh truyền dẫn của mạng đường trục khuvực được thể hiện như sau:

Mạng đường trục miền Nam

Mạng đường trục miền Nam liên kết các nút thông tin đặt tại các khu vựcnhư: trung tâm viễn thông điện lực 4 (TTĐ4), ga Vòng Tàu, các trạm điện220kV quan trọng như: Long Thành, Long Bình, các nhà máy điện lớn như: Phú

Mỹ 1, Phú Mỹ 2, Đa Nhim, Thác Mơ, Trị An, Hàm Thuận, Đa My, Thủ Đức,Hoà Phước Mạng đường trục này được nối với mạng trục chính qua 2 nút làtrạm 500kV Phú Lâm và trung tâm điều độ điện lực miền Nam (A2)

Hình 1.4 Toàn bộ mạng đường trục khu vực này và các nút thông tin quan

trọng

Mạng đường trục HTTT điện lực khu vực miền Nam

Mạng đường trục khu vực miền Nam hiện nay đạng sử dụng các kênh truyền quang, viba, PLC, nối các nút thông tin, toàn bộ các kênh truyền và các nút đó thông tin được thống kê trong bảng sau:

9 NMĐ Hàm Thuận NMĐ Đa My vi ba

11 220 Long Bình NMĐ Đa Nhim vi ba

Bảng 1.2 Các nút thông tin, kênh truyền dẫn trên mạng đường trục miền

Nam

Mạng đường trục miền Trung

Mạng đường trục miền Trung liên kết các nút thông tin đặt tại các khu vựcnhư: trung tâm viễn thông điện lực 2 (TTĐ2), trung tâm viễn thông điện lực 3(TTĐ3), trung tâm điều độ điên lực 3 (A3) Các trạm điện quan trọng như: Ialy,Hưng Đông, Nghi Sơn, Ba Trè, nói 1, trạm 110kV Thanh Hoá, Bỉm Sơn Mạngđường trục này được nối với mạng trục chính qua 3 nút, trạm 500 kV Hà Tĩnh,trạm 500kV Đà Nẵng, trạm 500kV Playku

Hình 1.5 Toàn bộ mạng đường trục khu vực này và các nút thông tin quan

trọng

Mạng đường trục HTTT điện lực khu vực miền Trung

Mạng đường trục khu vực miền Trung hiện nay đạng sử dụng các kênh truyền

quang, viba, PLC, nối các nút thông tin, toàn bộ các kênh truyền và các nút đó thông tin được thống kê trong bảng sau.

13 110kV Bỉm Sơn 100kV Thanh Hoá cáp quang

Bảng 1.3 Các nút thông tin và kênh truyền dẫn trên mạng đường trục miền

Nút tại trạm 220kV quan trọng: Ninh Bình, Nam Định, Thái Bình, BoàBình, Mai Động, Hà Đông, Việt Trì, Thái Nguyên, Tràng Bạch,

Nút tại các nhà máy điện quan trọng: Hoà Bình, Ninh Bình, Phả Lại 1, 2,Uông Bí, Thác Bà Toàn bộ các tuyến thông tin và các nút trên đường trục khuvực miền Bắc được thể hiện trên hình 1.6:

Hình 1.6 Các tuyến thông tin và các nút trên đường trục khu vực miền Bắc

Mạng đường trục HTTT điện lực khu vực miền Bắc.

Mạng đường trục khu vực miền Bắc hiện nay đạng sử dụng các kênh truyền quang, viba, PLC, nối các nút thông tin, toàn bộ các kênh truyền và các nút đó thông tin được thống kê trong bảng sau:

7 A0 220kV Mai Động cáp quang

Hình 1.7 Mạng nhánh HTTT điện lực khu vực miền Bắc

Ở mạch nhánh trên các nút thông tin kiên kết với nhau bằng kênh thông tinviba và PLC, các nhánh này ghép nối vào mạng đường trục khu vực thông quahai nút thông tin Mai Động và Phả Lại

4 Kết luận chương.

Sau chương này chúng ta đã hiểu được thế nào là một hệ thống thông tinđiện lực, các loại hệ thống trong hệ thống thông tin điện lực và cấu trúc của hệthống thông tin điện lực gôm ba mạng chính là mạng đường trục chính, trongmạng đường trục chính có các mạng ring, tiếp là mạng các đường khu vực vàcác mạng nhánh

2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA

5 Giới thiệu chương.

Chương này cho ta cái nhìn tổng quan về hệ thống SCADA, hiểu đượccác thành phần phần cứng cũng như phần mềm của hệ thống SCADA, cơ chếhoạt động của hệ thống SCADA và các ứng dụng của hệ thống SCADA trongthực tế

6 Khái niệm SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thuthập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa Người vận hành có thểnhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạngtruyền thông Nói cách khác, SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệthống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau:

Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến Trong

hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình cácRTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng Thời gian

để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong Các máy chủ quétcác RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này

 Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được

 Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý

 Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bịcủa nhà máy

 Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời vàchính xác

7 Phân loại hệ thống SCADA

Các hệ thống SCADA được phân làm bốn nhóm chính với các chức năng:

 SCADA độc lập / SCADA nối mạng

 SCADA không có khả năng đồ hoạ / SCADA có khả năng xử lý đồ hoạ

Bốn nhóm chính của hệ thống SCADA

4 Hệ thống SCADA mờ (Blind).

Đây là hệ thống đơn giản, nó không có bộ phận giám sát Nhiệm vụ chủyếu của hệ thống này thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị Do tính đơn giản nêngiá thành thấp

5 Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực.

Đây là hệ thống SCADA có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờtập tin cấu hình của máy khai báo trước đấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiếntrình hoạt động của hệ thống sản xuất Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạtđộng của hệ thống Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người vận hành

để xử lý kịp thời Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển dừng hoạt độngcủa tất cả máy móc

6 Hệ thống SCADA độc lập.

Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với một bộ vi xử lý

Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy móc Vì vậy hệ này chỉ phùhợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết

7 Hệ thống SCADA mạng.

Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ vi xử lý.Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau Hệ này có khả năng điều khiểnđược nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất Qua mạng truyềnthông, hệ thống được kết nối với phòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhậnquyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế Từphòng điều khiển có thể điều khiển hoạt động của các thiết bị ở xa

8 Các thành phần chính của hệ thống SCADA.

Bảng 2.1 Các thành phần chính của hệ thống SCADA

Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hànhđóng vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật Còn hệthống điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy Các thiết

bị và các bộ phận của hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm-điểm(Point to Point) hoặc qua mạng truyền thông Tín hiệu thu được từ cảm biến cóthể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hoặc tương tự Khi xử lý trong máy tính,chúng phải được chuyển đổi cho phù hợp với các chuẩn giao diện vào/ra củamáy tính

8 Giao diện quá trình.

Bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấphành.

9 Thiết bị điều khiển tự động.

Gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các bộ điều khiển khả trìnhPLC (Programmable Logic Controller), các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC(Compact Digital Controller) và máy tính PC với các phần mềm điều khiểntương ứng

10 Hệ thống điều khiển giám sát

Gồm các phần mềm và giao diện người-máy HMI, các trạm kỹ thuật, trạmvận hành, giám sát và điều khiển cao cấp

9 Hệ thống truyền thông.

Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống

11 Hệ thống bảo vệ.

Thực hiện các cơ chế thiết lập chức năng an toàn cho hệ thống

10 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA

Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần chính là: MTU, RTU và

Communication System (thành phần truyền thông).

12 MTU ( Master Terminal Unit)

MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường làmột hệ máy tính công nghiệp MTU giao tiếp với người điều hành và RTUthông qua khối truyền thông Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bịngoại vi như monitor, máyin và có thể kết nối với mạng truyền thông

Nhiệm vụ của MTU bao gồm:

 Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành

 Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU

 Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng thái củacác thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điềukhiển