hệ thống scada trong hệ thống điện

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 th

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, hệ thống lưới truyền tải , lưới phân phối và các phụ tải tiêu thụ điện; Chúng có quan hệ gắn bó với nhau thành một thể thống nhất, nếu bị phá vỡ thì sẽ xảy ra những hậu quả nặng

nề cho toàn hệ thống, ảnh hưởng không nhỉ đến nền kinh tế của toàn quốc

Do vậy đòi hỏi một sự quản lý, giám sát, điều khiển vận hành hệ thống an toàn, tin cậy cho toàn hệ thống

Cùng với sự phát triển của hệ thống điện hiện đại có các thiết bị điện ứng dụng công nghệ tân tiến thì vấn đề quản lý, giám sát, điều khiển vận hành hệ thống điện cũng không ngừng phát triển với sự trợ giúp đắc lực của các thiết bị tự động, thiết bị truyền tin và thiết bị điều khiển từ xa, các hệ thống giám sát điều khiển hệ thống điện Một trong các hệ thống trợ giúp đắc lực đó là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA

(Supervisory Control And Data Acquisition)

Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu SCADA ngày càng gần gũi hơn đối với các kỹ sư, kỹ thuật viên và sinh viên ngành Hệ thống điện và việc trang bị chúng cho Hệ thống điện là hết sức cần thiết Các hãng trên thế giớ đã chế tạo, lắp đặt nhiều mô hình SCADA khác nhau đối với Hệ thống điện, nhà máy điện, lưới điện hạ thế, công ty,…để quản lý vận hành các sơ đồ lưới cũng như các thiết bị kỹ thuật số ngày càng được sử dụng nhiều

Cuốn sách “ Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong hệ thống điện “ nhằm trợ giúp cho sinh viên, kỹ sư vận hành hệ thống điện những kiến thức cơ bản về hệ thống SCADA và phạm vi ứng dụng chúng trong điều độ hệ thống điện, trong nhà máy điện và lưới điện hạ thế

Nội dung cuốn sách gồm tám chương chính như sau:

Chương một: Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát và thu thập

dữ liệu trong Hệ thống điện

Chương hai: Cấu trúc phần cứng hệ thống SCADA

Chương ba: Cấu trúc phần mềm hệ thống SCADA

Chương bốn: Các hệ thống mạng cục bộ dùng cho SCADA

Chương năm:Thiết bị MODEM và phòng điều khiển trung tâm

Chương sáu: Ứng dụng của hệ thống SCADA trong Hệ thống điện Cuốn sách “Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong hệ thống điện “ được dùng chủ yếu cho sinh viên ngành Hệ thống điện, Công nghệ thông tin, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ sư vận hành hệ thống điện, vận hành các hệ thống thông tin

Trong quá trình viết cuốn sách này nhiều cụm từ tiếng Anh chung tôi không dịch sang tiếng Việt do đó là danh từ riêng hoặc nếu có dịch sẽ dài

mà không sát nghĩa và hơn thế nữa chúng là cụm từ chuyên dụng trong chuyên ngành thông tin

Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các cán bộ giảng dạy tại trường Đại học Điện lực đã tận tình giúp đỡ để hoàn thành cuốn sách này

Rất mong sự đóng góp của các độc giả để cuốn sách ngày một hoàn thiện hơn Các ý kiến đóng góp xin gửi về khoa Hệ thống điện, trường Đại học Điện lực

Tel (04)22185612 Emai:hoapv@.epu.edu.vn

Xin chân thành cảm ơn

Thay mặt tập thể tác giả

PGS-TS PHẠM VĂN HÒA

DANH MỤC CÁC CHƯ VIẾT TẮT

ACC Area Control Center Trạm điều khiển vùng A/D Analog/Digital Chuyển đổi tương tự sang số

AI Analog Input Đầu vào tương tự

AO Aanalog Output Đầu ra tương tự

ASSCII Americain Standard Code for

Information Interchange

Bảng mã chuẩn của Mỹ để trao đổi thông tin

AUI Attachment Unit Interface

BCD Binary Cod Digit Hệ mã nhị phân

BF Bus Field Bus trường

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access

with Collision Detect

Đa truy cập nhận biết sóng mang tránh xung đột

DA Distribution Automation Tự động hệ thống phân phối DCS Distributed Control System Hệ thống điều khiển phân

tán

DI Digital Input Đầu vào số

DMM Digital Multifunctional Meter Đồng hồ kỹ thuật số đa chức

năng

DO Digital Output Đầu ra số

DNS Domain Name Service Phục vụ tra cứu danh sách

trên mạng

DR Digital Relay Rơ le kỹ thuật số

DSM Nhu cầu điện năng

EMS Energy Management System Hệ thống quản lý năng

lượng

FACTS Flexible AC transmission

Systems)

Thiết bị điều chỉnh trong hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt

FDDI Fiber Distributed Data

Interface

FR Fault Recorder Bộ ghi sự cố

FTP File Transfer Protocol

FTP Fole Transfer Protocol

GUI Graphical User Interface Màn hình giao diện đồ họa HDD Hard Disk Drive Ổ cứng

HDLC High Level Data Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu

bậc cao HMI Human Machine Interface Giao diện người-máy HUU Hand Held Unit Thiết bị cầm tay

IEC International Electrotechnical

Committee

IED Intelligent Electronic Devices Thiết bị điện tử thông minh

IO Input Output Vào ra

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

LCC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic MAC Medium Access Control Kiểm soát truy nhập truyền

dẫn MAP Manufacturing Message

Protocol

MAU Medium Attachment Unit Thiết bị điện tử thu phát MODEM Modulator/Demodulator Điều biến/Giải điều biến OSI Open System Interconnection Kiến trúc giao thức

PC Personal Computer Máy tính các nhân

RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối

SCADA Supervisory Control And Data

Acquisition system

Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu SMTP Somple Mail Transfer Protocol

SNMP Simple Network Management

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

§ 1.1 KHÁI QUÁT CHUNG 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 tất yếu phải dảm bảo các hoạt động được thực hiện tin cậy, chính xác theo yêu cầu

Thật vậy, 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

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 (Supervisory Control and Data Acquisition system) 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 Ban đầu một hệ thống như vậy phụ thuộc vào nhiều đường dây thông tin liên lạc truyền tín hiệu giám sát, điều khiển Thế

hệ đầu của hệ thống SCADA không thể đáp ứng được với việc thực hiện nhiều thao tác điều khiển, nhưng với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh

vực thông tin ngày nay các thao tác điều khiển, giám sát trong hệ thống SCADA là rất lớn khi thực hiện các mệnh lệnh từ 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

§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 Chính vì vậy tùy theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng giám sát, điều khiển mà các chức năng giám sát, điều khiển và thu thập số liệu được phân phối và phân cấp cho các thiết bị khác nhau Hệ thống SCADA cho hệ thống hợp nhất, với một công ty điện lực chịu trách nhiệm quản lý, thông thường được chia thành ba cấp cơ bản như sau đây:

1.2.1 Cấp thứ nhất

Cấp thứ nhất của hệ thống SCADA, các 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 , đó là rơ le bảo vệ kỹ thuật số

DR (Digital Relay), bộ ghí sự có FR (Fault Recorder), đồng hồ kỹ thuật số

đa chức năng DMM (Digital Multi-function Metter), các bộ biến đổi công suất, dòng điện, điện áp, tần số (Transducer)… Khi xảy ra sự cố, các rơ le tính toán và tác động theo thông số chỉnh định đã được cài đặt mà không cần liên lạc với hệ thống cấp trên Ngoài ra các phần tử thuộc cấp này còn

có chức năng thu thập số liệu, thông số vận hành ở các chế độ bình thường của HTĐ để gửi lên các máy tính điều khiển mức trạm (Substation Server ) hoặc các thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) Trong các hệ thống hiện đại, các phần tử này được gọi chung là thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligen Electronic Devieces), chúng có các nguyên lý làm việc

và chức năng khác nhau, nhưng có cùng chuẩn giao tiếp (Protocol), cho

phép IED này có thể nói chuyện được với các IED khác trong cùng trạm ( peer to peer) và trao đổi với Điều khiển trạm SS (Substation Server) hoặc RTU Về nguyên tắc sự hỏng hóc hay bảo trì tại một IED sẽ không làm ảnh hưởng đến các IED khác trong hệ thống

1.2.2 Cấp thứ hai

Cấp thứ hai của hệ thống SCADA là các Điều khiển tram SS (Substation Server) và RTU 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 (Human Machine Interface) và truyền dữ liệu thu thập được lên cấp quản lý cao hơn theo các chuẩn truyền thông tin

1.2.3 Cấp thứ ba

Cấp thứ ba là Trung tâm điều khiển của toàn hệ thống, nơi 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

Do quy mô rộng lớn của hệ thống truyền tải điện năng, các trạm điều khiển trung tâm còn có thể được chia thành các cấp điều khiển trung tâm (Central control) và các trạm điều khiển vùng (Area Control Center)

§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

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

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 Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh mà quan trọng hơn phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài Như vậy một hệ thống truyền tin có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền thông Do đó tính năng thời gian thực một hệ thống giám sát, điều khiển phụ thuộc vào rất nhiều hệ thống thông tin sử dụng trong hệ thống đó, ví dụ như hệ thống Bus trường

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

§1.4 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU HỆ THỐNG SCADA

Từ sự phân cấp quản lý hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu cũng như yêu cầu chung của hệ thống SCADA nêu trên, một hệ thống SCADA cần có cơ cấu cơ bản như sau:

• Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu

cuối từ xa RTU (Remota Terminal Units) hoặc là các khối (bộ) vi điều khiển logic lập trình PLC (Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…)

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

trung tâm (central host computer server)

• Hệ thống truyền thông: bao gồm 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

Theo các thành phần có một cơ chế thu thập dữ liệu như sau :

Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU 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 quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu

từ các RTU này

Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ

đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ

Trong quá trình truyền tải dữ liệu, dữ liêu có thể là dạng liên tục (anlog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse)

Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo

Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian,

hệ SCADA thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa GUI dưới dạng đồ thị

Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau:

• Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các

RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường

• Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA

đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…)

§1.5 GIỚI THIỆU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ

PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG SCADA Vào giữa những thập niên 90 của thế kỷ trước những hệ thống SCADA đầu tiên chỉ có tác dụng thu thập dữ liệu từ các bộ cảm biến bằng các đồng

hồ đo, đèn báo, và các bộ ghi dữ liệu hiển thị dưới dạng đồ thị Hệ thống này hết sức đơn giản (hình 1.1), không đáp ứng được yêu cầu công nghệ trong sản xuất

Hình 1.1 Hệ thống thu thập dữ liệu sơ khai

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)

Hiện nay, các hệ SCADA đang trong xu hướng dịch chuyển sang công nghệ chuẩn truyền thông Ethernet và TCP/IP là các chuẩn cơ bản đang dần thay thế các chuẩn cũ hơn Theo nhà cung cấp giải pháp tự động hóa và thông tin phần mềm Wonderware và công ty tự động hóa Rockwell thế hệ tiếp theo có thể là chuẩn OPC-UA, do có nhiêu ưu điểm từ việc hỗ trợ của công nghệ thông tin do sử dụng ngôn ngữ XML (Extensible Markup Language), các dịch vụ Web và các công nghệ Web hiện đại khác Hình 1.2

là một ví đụ về hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA hiện đại Hình 1.3 thẻ hiện chi tiết một hệ thống SCADA

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

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển giám sát và thu thập

dữ liệu SCADA hiện đại 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

Hình 1.3 Sơ đồ chi tiết một hệ thống SCADA

Các RTU cung cấp một giao diện đến các cảm biến số và tương tự tại hiện trường

Hệ thống truyền thông cung cấp đường cho giao tiếp giữa các trạm chủ

và các thiết bị từ xa Hệ thống này có thể được truyền qua đường dây điện, cáp quang, phát thanh, điện thoại, và thậm chí có thể vệ tinh Việc truyền dữ liệu được thực hiện bằng giao thức thức cụ thể và phát hiện lỗi hiệu quả và tối 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

Trong hệ thống điều khiển phân tán DCS (hình 1.4), sự thu thập dữ liệu

và các chức năng điều khiển được thực hiện bởi một nhóm các bộ điều khiển phân tán đặt gần với các thiết bị trường Vì vậy hệ thống DCS chỉ được thực hiện với các ứng dụng chỉ yêu cầu thiết bị đo đặt trong một phạm

vi thu hẹp

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển phân tán

Hệ thống DCS được phân thành 4 cấp:

- Cấp quản lý, giám sát

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống PLC

Các thiết bị đo thông minh là những thiết bị đo có khả năng xử lý tín hiệu như là một máy tính (hình 1.6) Chúng có thể dễ dàng liên lạc được với các RTU và các PLC vì vậy rất hay được sử dụng trong hệ thống SCADA Qua các phân tích so sánh nêu trên thấy rằng hệ thống SCADA có các lợi ích cơ bản sau:

- Tiết kiệm được chi phí vận hành;

- Khả năng phát hiện và thông báo lỗi tốt;

- Tăng năng suất lao động;

- Có khả năng ứng dụng vào trong các lĩnh vực ứng dụng phức tạp

Hình 1.6 Ví dụ về một thiết bị đo thông minh

§1.6 THÀNH PHẦN HỆ THỐNG SCADA

1.6.1 Phần cứng

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

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;

• Hệ thống truyền thông;

• Các trạm thu thập dữ liệu;

• Hệ thống xử lý dữ liệu

Các RTU cung cấp một giao diện đến các cảm biến số và tương tự tại hiện trường

Hệ thống truyền thông cung cấp đường cho giao tiếp giữa các trạm chủ

và các thiết bị từ xa Hệ thống này có thể được truyền qua đường dây điện, cáp quang, phát thanh, điện thoại, và thậm chí có thể vệ tinh Việc truyền dữ liệu được thực hiện bằng giao thức thức cụ thể và phát hiện lỗi hiệu quả và tối 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

1.6.2 Phần mềm

Phần mềm SCADA có thể được chia thành hai loại, thuộc quyền sở hữu hoặc nguồn mở 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

Citect và WonderWare chỉ là hai trong số những gói phần mềm mở sẵn trên thị trường cho các hệ thống SCADA Một số gói phần mềm hiện nay bao gồm cả quản lý tài sản tích hợp trong hệ thống SCADA

Phần mềm SCADA sẽ bao gồm những phần chính sau:

• Giao diện người sử dụng;

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

Hiện nay trong ngành Điện lực hình thức truyền tin cao tần theo đường

dây tải điện, vô tuyển chuyển tiếp, và kênh cáp quang được sử dụng rộng rãi hơn cả Trong các kênh truyền thông dùng cáp quang có nhiều ưu việt hơn

cả Hình 1.7 giới thiệu sơ đồ cáp quang sợi thủy tinh Một số đặc điểm chung của các loại cáp cần chú ý đó là nhiễu tín hiệu điện và nhiễu sóng radio

Hình 1.7 Sơ đồ cáp quang sợi thủy tinh

Các loại nhiễu này là nhân tố quan trọng hàng đầu cần được chú ý khi thiết kế và lắp đặt một hệ thống truyền thông Các loại nhiễu này được sinh

ra một cách ngẫu nhiên từ các tin hiệu không mong muốn trong thiết kế Nó

có thể xâm nhập vào đường cáp hoặc đường dây bằng nhiều cách Điều này phụ thuộc rất nhiều vào người thiết kế ban đầu phải có những biện pháp để giảm tối thiểu nhất các tín hiệu nhiễu Bởi vậy các hệ thống SCADA thường

sử dụng đường truyền có điện áp bé là đường truyền có thể chịu đựng được các tín hiệu nhiễu

Việc sử dụng các cáp xoắn đôi là một yêu cầu tối thiểu của các hệ thống điều khiển nói chung và hệ thống SCADA nói riêng Sử dụng một cặp dây dẫn tốt cộng việc lắp đặt theo đúng yêu cầu kỹ thuật sẽ giảm được tối đa các tín hiệu nhiễu Cáp quang cũng là một trong những loại cáp được sử dụng phổ biến bởi

vì khả năng chống nhiễu của nó Hiện tại hầu hết các hệ thống đều sử dụng cáp quang sợi thủy tinh nhưng trong một số lĩnh vực công nghiệp, các cáp quang sợi nhựa được sử dụng nhiều hơn

Trong tương lai, các hệ thống truyền thông dữ liệu sẽ được tách ra thành

hệ thống radio, hệ thống cáp quang, và hệ thống tia hồng ngoại các hệ thống truyền thông có yêu cầu sử dụng đến năng lượng sẽ bị xóa bỏ

1.6.4 Tổng quan về mạng cục bộ LAN

Mạng cục bộ LAN (Local Area Network) được dùng để chia sẻ toàn bộ tài nguyên thông tin Do vậy, có thể sử dụng mạng LAN để các trạm nằm trong mạng SCADA có thể chia sẻ thông tin được với nhau khi chúng được kết nối qua các phương tiện truyền thông Phương thức kết nối là tôpô (topology) mạng Tôpô mạng là sự sắp xếp hình học của các nút và cáp nối trong mạng cục bộ Các tôpô mạng đều thuộc hai loại: tập trung và phân tán Trong tôpô mạng tập trung, như mạng hình sao chẳng hạn, có một máy tính trung tâm điều khiển việc thâm nhập mạng Kiểu thiết kế này đảm bảo an toàn dữ liệu và sự quản lý trung tâm đối với các nội dung và các hoạt động của toàn mạng Trong tôpô phân tán như mạng Bus hoặc mạng vòng tròn chẳng hạn, không có máy trung tâm, mà từng trạm công tác có thể thâm nhập vào mạng một cách độc lập và tự thiết lập các ghép nối riêng của mình với các trạm công tác khác

Trong mạng LAN, các máy tính cá nhân và các máy tính khác trong phạm vi một khu vực hạn chế được nối với nhau bằng các dây cáp chất lượng tốt, sao cho những người sử dụng có thể trao đổi thông tin, dùng chung các thiết bị ngoại vi, và sử dụng các chương trình cũng như các dữ liệu đã được lưu trữ trong một máy tính dành riêng gọi là máy dịch vụ tệp Khác nhau khác nhiều về quy mô và mức độ phức tạp, mạng cục LAN có thể chỉ liên kết vài ba máy tính cá nhân và một thiết bị ngoại vi dùng chung đắt tiền, như máy in laser chẳng hạn Các hệ thống phức tạp hơn thì có các máy tính trung tâm (máy dịch vụ tệp) và cho phép những người dùng tiến hành thông tin với nhau thông qua thư điện tử để phân phối các chương trình nhiều người sử dụng, và để thâm nhập vào các cơ sở dữ liệu dùng chung

Ethernet là phần cứng, định ước, và tiêu chuẩn ghép nối của một loại mạng cục bộ, do hãng Xerox Corporation đưa ra đầu tiên, có khả năng liên kết đến 1024 nút trong một mạng Bus (hình 1.8) Do sử dụng tốc độ cao trong kỹ thuật truyền tin dải tần cơ bản (kênh đơn) Ethernet cho phép truyền dữ liệu dạng dãy với tốc độ 10 megabit mỗi giây, với thông lượng thực tế từ 2 đến 3 megabit mỗi giây Ethernet dùng kỹ thuật thâm nhập nhiều mối bằng cảm nhận sóng mang có dò xung đột CSMA/CD (Carrier

Sense Multiple Access with Collision Detect) để đề phòng trục trặc cho mạng khi có hai thiết bị đồng thời cùng cố thâm nhập vào mạng

Hình 1.8 Ethernet được sử dụng để truyền dữ liệu trên một

hệ thống SCADA

1.6.5 Thiết bị MODEM

MODEM (Modulator/Demodulator) là một thiết bị biến đổi các tín hiệu

số do cổng nối tiếp của máy tính phát ra thành các tín hiệu dạng tương tự được điều biến, cần thiết để truyền qua đường điện thoại, và ngược lại nó cũng biến những tín hiệu tương tự nhận được thành ra các tín hiệu số tương đương Trong điện toán cá nhân, người ta thường dùng MODEM để trao đổi các chương trình và dữ liệu với những máy tính khác và để truy cập các dịch vụ thông tin trực tuyến như Dow Jones News/Retrieval Service

Hình 1.9 giới thiệu sự kết nối máy tính PC với RTU bằng MODEM

MODEM là danh từ rút gọn của Modulator/Demodulator (điều biến/giải điều biến) Việc điều biến này là cần thiết vì các đường dây điện thoại được thiết kết để xử lý tiếng nói con người, có tần số thay đổi trong khoảng từ

300 Hz đến 3000 Hz trong những cuộc nói chuyện điện thoại bình thường (từ giọng trầm đến giọng thanh) Tốc độ truyền dữ liệu của một MODEM được tính bằng đơn vị bit mỗi giây hay là bps (về kỹ thuật), không phải là baut, mặc dù hai thuật ngữ này được dùng lẫn lộn)

Hình 1.9 Máy tính PC kết nối với RTU sử dụng MODEM

Chọn dùng MODEM tương đối đơn giản: chọn loại tốc độ chậm ( 300 hoặc 1200 bps) hoặc loại tốc độ nhanh ( 2400 bps) Tuy nhiên, hiện nay có nhiều khả năng chọn MODEM hơn

Các giao thức về điều biến chi phối tốc độ phát và thu dữ liệu Trong nước Mỹ, hầu như tất cả các modem 2400 bps đều dùng giao thức CCITT

V 22 bis Tuy nhiên, các modem tốc độ cao nhất (từ 9600 bps trở lên) thì sử dụng các giao thức điều biến sở hữu riêng, cho nên bạn phải dùng các modem cùng nhãn hiệu cho cả hai đầu đường truyền Hiện nay loại MODEM 9600 bps sử dụng giao thức CCITT V 32, còn loại modem 14

400 bps thì dùng tiêu chuẩn CCITT V 32 bis Cả hai đều tương thích ngược với mọi loại MODEM bất kỳ nào, ngay cả trường hợp nó được chế tạo bởi một hãng sản xuất khác

Có hai loại tiêu chuẩn thông dụng đối với các giao thức kiểm lỗi nhằm hạn chế các sai lỗi do tạp âm và các can nhiễu khác trong hệ thống điện thoại: đó là MNP- 4 và CCITT V 42 Đối với loại giao thức nén dữ liệu, thì

có hai tiêu chuẩn hàng đầu là V 42 bis và MNP- 5 Vì việc nén dữ liệu yêu cầu phải có kiểm lỗi, cho nên các MODEM nén dữ liệu bao giờ cũng có các tiêu chuẩn kiểm lỗi; nói chung, một MODEM phải có đủ bốn giao thức kiểm lỗi và nén dữ liệu ( MNP- 4, MNP- 5, V 42 và V 42 bis) hoặc không

có gì cả

Thông thường trong hệ thống SCADA các thiết bị đầu cuối RTU được đặt ở vị trí xa so với trung tâm điều khiển từ 10m đến hàng nghìn Km Một trong những cách tiết kiệm chi phí nhất để liên kết PC với RTU với một khoảng cách dài là sử dụng cách kết nối điện thoại dialup thông qua thiết bị MODEM

Các MODEM được đặt tại các-chế độ tự động trả lời và RTU có thể quay

số vào máy tính hoặc máy PC có thể quay RTU Các phần mềm để làm điều

này là có sẵn từ nhà sản xuất RTU Các MODEM có thể được mua bất ký ở cửa hàng máy tính tại địa phương

1.3.6 Yêu cầu về máy tính trong hệ thống SCADA

Các máy vi tính sử dụng trong hệ thống SCADA phải đạt tiêu chuẩn cao

cả về cấu hình và chất lượng, là máy tính đặc chủng được sản xuất dùng riêng trong công nghiệp Hiện nay máy tính thường được sử dụng nhiều nhất là các dòng máy tính công nghiệp của Dell và HP

Đối với các máy trạm thường sử dụng máy Workstation mới nhất của

HP là Z600 có cấu hình tối thiểu như sau:

HP z600 WORKSTATION CPU Intel Xeon E5504 2.00 4MB/800 QC CPU-1

RAM HP 2GB (2x1GB) DDR3-1333 ECC 1-CPU RAM

OS

Genuine Windows Vista® Business 32-bit with downgrade to Windows® XP Professional 32-bit custom installed**

Hard Drive HP 160GB SATA 7200 1st HDD

Video Card NVIDIA Quadro FX380 256MB Graphics

Mouse HP Optical 3-Button Mouse

Keyboard HP USB Standard Keyboard

Chương 2

CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA

§2.1 GIỚI THIỆU CHUNG Cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA nêu trên hình 2.1 Bắt đầu từ cấp thấp nhất của hệ thống SCADA này là các thiết bị điện tử thông minh IEDs (Intelligent Electronic Devices), cấp trên nó là các Điều khiển trạm SS (Substation Server) và thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) và tại đây có thể đọc dữ liệu qua các giao diện người – máy HMI (Human Machin Interface) Cấp cao hơn nữa là Trung tâm điều khiển của toàn hệ thống, nơi thu thập dữ liệu từ SS (Substation Server) và RTU, thực hiện các tính toán

để rồi từ đó điều khiển toàn hệ thống Tại trạm điều khiển giám sát trung tâm có thể sử dụng khối điều khiển logic lập trình PLC (Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành như: cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành Trong chương này sẽ mô tả chi tiết hơn về các cơ cấu của hệ thống SCADA :

- Các thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligent Electronic Devices);

- Cấu trúc thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit);

- Ứng dụng khối điều khiển lập trình PLC (Programmale Logic Controllers) trong hệ thống SCADA;

- Cấu trúc của trạm điều khiển trung tâm;

- Cấu trúc truyền thông;

- Giao diện Người – Máy HMI (Human Machin Interface)

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống SCADA cơ bản

§2.2 CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH IEDs

2.2.1 Chức năng của IED

Các IDEs là các thiết bị như rơle kỹ thuật số DR (Digital Relay), đồng

hồ kỹ thuật đa chức năng DMM (Digital Multifunctional Meter), công tơ điện tử nhiều biểu giá, các bộ biến đổi T (Transducer), ….có những chức năng, nhiệm vụ sau:

- Bảo vệ tác động khi xảy ra sự cố;

- Biểu thị trạng thái của các phần tử đóng cắt của lưới, ví dụ như trạng thái đóng/mở của máy cắt và dao cách ly, vị nấc phân áp của máy biến áp,…;

- Điều khiển các thiết bị đóng cắt của lưới;

- Ghi lại các sự cố, sự kiện xảy ra trên lưới;

- Kiểm tra tình trạng hoạt động của bản thân chúng

Ngày nay các IEDs hiện đại được trang bị cổng truyền tin nối tiếp hoặc cổng truyền thông tin quang Thông qua đường truyền thông tin chúng được nối tới hệ thống trạm chủ và các dữ liệu của chúng được kiểm soát, xử lý Sau đây giớ thiệu một số IEDs quen thuộc là Rơle kỹ thuật số và Công tơ điện tử nhiều biểu giá

2.2.2 Rơle kỹ thuật số

Cấu trúc chung của một rơle kỹ thuật số thể hiện dạng các khối như trên

hình 2.2

Chức năng của từng khối như sau :

Biến đổi đại

lương đầu vào

I,U

Lọc tương tự

Biến đổi tương tựA/D

1) Đầu vào: Dòng điện và điện áp được lấy từ các cuộn dây thứ cấp của

biến dòng điện và biến điên áp

2) Khối biến đổi đại lượng đầu vào

Dòng điện và điện áp danh định của thứ cấp biến dòng điện và biến điện

áp cóa trị 5A, 1A và 110 V, 100 V còn quá lớn so với các thông số vào của linh kiện rơle, do đó cần phải giảm tín hiệu vào xuốn thấp cỡ vài mA và khoảng 10 V

3) Khối lọc tương tự

Lọc nhiễu, hài bậc cao và các thành phần không mong muốn trong các đại lượng đầu vào

4) Khối biến đổi tương tự - số A/D ( Analog/Digital)

Biến đổi các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

5) Khối xử lý tín hiệu số µP

Khối này có chức năng xử lý các tín hiệu đầu vào, sử dụng các bộ vi xử lý

16 bit hoặc 32 bit Đối với các rơle phức tạp như rơle khoảng cách, rơle so lệch bảo vệ máy phát điện, máy biến áp, đường dây siêu cao áp, hệ thống thanh cái sử dụng từ 2÷3 µP và mỗi bộ vi xử lý thực hiện các chức năng nhiệm vụ sau:

- Vi xử lý thực hiện chức năng bảo vệ chính;

- Vi xử lý thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng;

- Vi xử lý thực hiện chức năng điều khiển: Phần mềm tính toán trong các chế độ vận hành bình thường, sự cố, giáo tiếp với các thiết bị và hệ thống bên ngoài và phần tử quan trọng nhất làm nhiệm vụ : Xác định sự cố các đại lượng đầu vào, So sánh quan hệ logic giữa các đại lượng, Đưa ra các quyết định cảnh báo, cắt sự cố,…

6) Lưu trữ số liệu và giáo tiếp với thiết bị

Khối này có các nhiệm vụ :

- Lưu trữ dữ liệu ở chế độ vận hành bình thường và chế độ sự cố;

- Công giao tiếp trao đổi dữ liệu, cung cấp tín hiệu cho phần mềm phân tích sự cố;

- Kết nối thông tin với các đối tượng khác, hệ thống thông tin và điều

độ

8) Tín hiệu nhị phân BI ( Binary Input)

Khối này nhận tín hiệu nhị phân từ điều độ hoặc nhận các tín hiệu nhị phân từ các phần tử khác thực hiện phối hợp liên động trong vận hành của

hệ thống

9) Nguồn thao tác

Biến đổi các nguồn điện 220V, 110V thành điện áp 12V, 24V, 48V DC cung cấp cho các nguồn linh kiện

2.2.3 Công tơ điện tử nhiều biểu giá

Cấu trúc chung của một công tơ điện tử nhiều biểu giá thể hiện dạng các

khối như trên hình 2.3

Chức năng của từng khối như sau :

1) Đầu vào (Input)

Những tín hiệu đầu vào chủ yếu là :

- Điện áp các pha (U1, U2, U3) và trung tính UN, dòng các pha (I1, I2, I3) Các đại lượng này cung cấp tín hiệu cho hệ thống đo lường, cung cấp nguồn nuôi cho công tơ và điện áp giám sát

- Điện áp điều khiển Ut để thay đổi giá trị điện năng và nhu cầu biểu giá, cài đặt lại các giá trị, hạn chế nhu cầu sử dụng, đồng bộ các thông số

- Các nút màn hình để lật trang màn hình, cài đặt thông số cho công tơ và xóa giá trị điện năng

2) Đầu ra ( Output)

Các tín hiệu đầu ra của công tơ bao gồm:

- Màn hình tinh thể lỏng LCD và các phím bấm dùng cho việc đọc tại chỗ các thông số : Giá trị điện năng, Điện áp, Dòng điện, góc pha, tần số, công suất,…

- Tín hiệu quang dùng cho việc thí nghiệm công tơ: các đèn LED với tần xuất phát tín hiệu tỷ lệ với giá trị điện năng công tơ đo được trong một khoảng thời gian xác định

- Các rơle tĩnh sử dụng cho việc cảnh báo tín hiệu mà công toew xác định như mất điện áp, quá dòng điện, ngược chiều công suất,…

- Giao diện quang sử dụng cho việc thu thập dữ liệu tại chỗ bằng thiết bị cầm tay HHU (Hand Held Unit) phù hợp

- Giao diện thông tin RS232, RS485, Optical,…

2 Đầu ra ( Output)

3) Hệ thống đo lường

Tín hiệu điện áp và dòng điện từ cuộn dây thứ cấp của biến dòng và biến

điện áp được chuyển đổi từ 1(5)A và 100(110)V xuống cỡ mA và mV thông

Hinh 2.3 Sơ đồ khối công tơ điện tử nhiều biểu giá

qua các Shunt dòng điện và điện trở phân áp, sau đó tín hiệu dòng và áp được đưa vào bộ chuyển đổi tương tự - số A/D (Analog/Digital) và bộ chuyển đổi này sẽ biến đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu số tức thời thông qua các mức hiệu chuẩn đưa tới bộ xử lý tín hiệu số

4) Xử lý tín hiệu

Bộ xử lý tín hiệu xác dịnh số lượng giá trị đo từ giá trị số tức thời đầu vào như sau:

- Công suất tác dụng và công suất phản kháng của từng pha;

- Điện áp và dòng điện từng pha;

- Tần số, góc lệch pha

5) Các giá trị đo

Đối với các tín hiệu được sử dụng ở trên các thanh ghi bộ vi xử lý sẽ quét liên tục số lượng các giá trị đã đo theo từng giây để xác định các giá trị đo sau :

- Điện năng hữu công và vô công (tổng ba pha và cho từng riêng biệt) của các biểu giá mà ta đã xác định cho từng thời điểm;

- Côn suất, điện áp, dòng điện, hệ số công suất,…

6) Thay đổi biểu giá

Sư thay đổi biểu giá có thể thực hiện bằng các cách như sau:

- Thay đổi bằng tín hiệu điều khiển bên ngoài thông qua các điều khiển đầu vào “Input Control” trên bản mạch mở rông;

- Chuyển mạch thời gian và lịch cài đặt trong công tơ

7) Dữ liệu cho việc in hóa đơn

Các thanh ghi sau đây sẽ được sử dụng cho việc xác định cấc giá trị đo để kết xuất thành các hóa đơn:

- Điện năng cho từng biểu giá;

- Điện năng tổng;

- Nhu cầu công suất;

- Nhu cầu công suất theo biểu giá;

- Hệ số công suất, điên áp, dòng điện, tần số,…

8) Bộ nhớ

Một bộ nhớ phục vụ cho việc ghi lại và lưu giữ biều đồ phụ tải, bao gồm ;

cấu hình, các thông số của công tơ và bảo vệ các dữ liệu của hóa đơn không

bị mất khi mất điên

9) Nguồn nuôi

Nguồn nuôi cung cấp cho công tơ điện tử là nguồn được sử dụng từ nguồn ba pha của lưới, nhờ đó điện áp pha có thể thay đổi vượt quá dải điện

áp mà không cần có sự điều chỉnh điện áp nguồn nuôi

10) Giao diện truyền tin

Công tơ có các cổng truyền thông tin theo các chuẩn RS232, RS485, Optical,… Nhờ đó có thể đọc được số liệu từ xa hoặc cài đặt các thông số

từ xa

§2.3 THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI RTU

2.3.1 Giới thiệu chung

Thiết bị đầu cuối RTU ( Remote Terminal Unit) là một thiết bị thu thập thông tin từ các IEDs do nó quản lý, lưu vào cơ sở dữ liệu và gửi thông tin tới trạm chủ hoặc cấp quản lý cao hơn 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 trung tâm điều khiển

Một RTU loại nhỏ thường có ít hơn 20 tín hiệu số và tương tự, loại RTU trung bình có 100 tín hiệu số và khoảng từ 30 đến 40 tín hiệu tương tự Những loại RTU có số lượng IO lớn hơn nữa thì được gọi là RTU loại lớn Cấu trúc phần cứng cơ bản của RTU gồm những phần sau (hình 2.4):

- Bộ xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit);

- Các đầu vào tương tự AI ( Analog Input);

- Các đầu ra tương tự AO ( Analog Output);

- Các đầu vào đếm;

- Các đầu vào số DI ( Digital Input);

- Các đầu ra số DO ( Digital Output);

- Giao diện truyền thông;

- Nguồn cấp

Sau đây sẽ giới thiệu chi tiết hơn từng phần

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

Thường dùng họ vi xử lý 16 bit hoặc 32 bit Tổng dung lượng bộ nhớ 256 kByte (có thể mở rộng lên 4 Mbytes) được chia làm ba loại sau:

Cổng truyền thông của CPU thường có hai hoặc ba cổng

RS-232/RS-422 hoặc RS-485 dùng cho các công việc sau:

- Giao tiếp với các thiết bị kiểm tra lỗi;

- Giao tiếp với các Trạm vận hành;

- Kết nối truyền thông với Trung tâm điều khiển

CPU được thiết kế một hệ thống đèn LED báo lỗi để thông báo các sự

cố và báo lỗi của CPU, của các thiết bị vào ra I/O (Intput/Output)

Một bộ phận khác rất quan trọng của CPU đó là bộ định thời, cung cấp thời gian thực giúp cho việc thông báo các sự kiện theo thời gian được chính xác tuyệt đối

2.3.3 Mô-đun đầu vào tương tự AI ( Analog Input)

Sơ đồ phần cứng của Mô-đun đầu vào tương tự như trên hình 2.5

Mô-đun đầu vào tương tự AI có năm thành phần chính như sau:

- Bộ đa cổng đầu vào (The input multiplexer);

- Bộ khuếch đại tín hiệu đầu vào (The input signal amplifier);

- Mạch lấy mẫu và giữ tín hiệu;

- Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số A/D (Analog/Digital);

- Giao diện truyền dữ liệu (Bus interface) và hệ thống định thời (Timing system)

2.3.4 Mô-đun đầu ra tương tự AO (Analog Output)

Các mô-đun đầu ra tương tự (hình 2.6) có đặc điểm sau:

- 8 đầu ra tương tự;

- Hoạt động ở chế độ 8 hoặc 12 bit;

- Tốc độ chuyển đổi dữ liệu từ 10 ms đến 30 ms;

- Dải đầu ra thường là: 4-20 mA, hoặc +-10V, hoặc từ 0 đến +10V

2.3.5 Mô-đun đầu vào số DI (Digital Input)

Các tín hiệu đầu vào số DI (hình 2.7) thường được dùng để chỉ ra các thông số như trạng thái và cảnh báo Ví dụ các tín hiệu trạng thái từ một bộ van bao gồm trạng thái đóng và trạng thái mở

Hầu hết các mạch đầu vào số thường có 8, 16 hoặc 32 đầu Khi cần sử dụng nhiều tín hiệu đầu vào thì người ta sẽ lắp ghép nhiều mạch lại với nhau

Theo chuẩn, các tiếp điểm thường đóng hoặc thường mở được sử dụng

để làm tín hiệu cảnh báo (Alarm) Thông thường, các đầu vào Alarm thường đóng được sử dụng để chỉ ra trạng thái của Alarm

Một mô-đun đầu vào số thường có đặc điểm sau:

- Mỗi mô-đun thường có 16 đầu vào số;

- Có hệ thống đèn hiển thị LED để hiển thị trạng thái của từng tín hiệu

Hình 2.5 Sơ đồ Mô-đun đầu vào tương tự

Hình 2.6 Sơ đồ Mô-đun đầu ra tương tự

Hình 2.7 Sơ đồ mạch điện mô-đun đầu vào số

2.3.6 Mô-đun đầu ra số DO (Digital Output)

Đặc điểm của một mô-đun đầu ra số (hình 2.8):

- 8 đầu ra số;

- Điện áp đầu ra thường là 240V AC hoặc 24V DC;

- Có hệ thống đèn hiển thị LED để hiển thị trạng thái của từng tín hiệu;

- Có cách ly để bảo vệ tín hiệu

- 2 đầu ra tương tự (8 bit)

Hình 2.8 Sơ đồ mô-đun đầu ra số

2.3.8 Mô-đun truyền thông

Các RTU hiện đại được thiết kế linh hoạt, đủ để xử lý các phương tiện truyền thông nhiều như:

liên tục kể cả khi có sự cố mất điện thì các pin sử dụng cho RTU phải là loại pin chất lượng cao như lead acid hoặc nickel cadmium Các loại pin này đảm bảo cho RTU có thể hoạt động được khoảng 20 giờ

2.3.10 Các yêu cầu cơ bản của một hệ thống RTU

1)Yêu cầu về lắp đặt

- Yêu cầu về quạt làm mát và lọc bụi: Hệ thống quạt làm mát bắt buộc

phải được lắp đặt để tránh nhiệt độ cao có thể làm ảnh hưởng đến RTU Lọc bụi cũng phải được lắp đặt tại tủ RTU để ngăn chặn bụi có thể đi vào trong các mạch điện của RTU

- Vùng nguy hiểm: RTU phải được lắp đặt tại nơi chống cháy nổ, có mái

che

2)Yêu cầu về môi trường hoạt động

- RTU phải được đặt tại nơi có nhiệt độ phù hợp, nếu đặt trong nhà phải đặt trong phòng có điều hòa, còn nếu đặt ngoài trời cần làm mái che cho RTU và sử dụng loại RTU chuyên dụng cho ngoài trời

- RTU đặt tại nơi có độ ẩm từ 10-95%

§2.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC TRONG SCADA

2.4.1 Giới thiệu chung

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmale Logic Controllers) là một máy tính gồm các thiết bị cố định để điều khiển quá trình và thiết bị trường PLC ra đời để thay thế cho việc thực hiện các điều khiển logic bằng rơle, switch và các bộ đếm cơ học Hiện này toàn bộ các điều khiển có thể được thực hiện bằng PLC một cách đơn giản và linh hoạt

Tiện ích của việc sử dụng một PLC như là một RTU trong hệ thống SCADA, nó có đầy đủ hết các tính năng của tất cả các loại RTU, hơn nữa PLC rất dễ dàng cài đặt

2.4.2 Phần mềm PLC & Phương pháp lập trình giản đồ thang

Phương pháp giản đồ thang (ladder-logic) được sử dụng rộng rãi để lập trình PLC bởi vì nó gần gũi như là một mạch điện (hình 2.9)

Các quy luật cơ bản của phương pháp giản đồ thang: