SCADA điều khiển và giám sát

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA Cấu trúc hệ thống SCADA  Danh sách dữ liệu Datalist kết nối với trung tâm  Nguyên tắc thu thập và xử lý tín hiệu từ các TBA/NMĐ  Hệ thống thông tin  Hệ t

HUỲNH PHÚC DƯƠNG

Phone: 0987 26 36 01

mail: hphucduong@gmail.com

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ

HỆ THỐNG SCADA

Đà Nẵng, 01/2015

Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc Gia Trung tâm Điều độ HTĐ Miền Trung

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA

 Cấu trúc hệ thống SCADA

 Danh sách dữ liệu (Datalist) kết nối với trung tâm

 Nguyên tắc thu thập và xử lý tín hiệu từ các TBA/NMĐ

 Hệ thống thông tin

 Hệ thống tại trung tâm

Các thành phần chính của hệ thống

SCADA/EMS:

 Hệ thống các RTU/GW tại các TBA, NMĐ

Hệ thống tại Trung tâm

 SCADA (Supervisory, Control and Data Acquisition): Hệ

thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu

 EMS (Energy Management System): hệ thống quản lý các

ứng dụng năng lượng

 DMS (Distribution Management System): Hệ thống quản lý

lưới điện phân phối

 DTS (Dispatcher Training Simulator): hệ thống mô phỏng,

đào tạo Kỹ sư điều hành/Điều độ viên

 RTU (Remote Terminal Unit): Thiết bị đầu cuối đo xa

 IED (Intelligent Electronic Device): Thiết bị điện tử thông

 GPS (Global Positioning System): Hệ thống định vị toàn cầu

 SOE (Sequence of Event): Bản ghi tuần tự các sự kiện

Một số thuật ngữ viết tắt

thường gặp trong hệ thống

SCADA:

Giám sát mọi thay đổi trạng thái của các thiết bị đóng cắt hay các thông tin về sự tác động của bảo vệ rơle,

 Điều khiển các thiết bị (đóng/cắt máy cắt/dao cách ly, nâng/hạ nấc phân áp máy biến áp, tăng / giảm công suất phát của máy phát v.v…).

SCADA là gì:

THU THẬP DỮ LIỆU SCADA

 Danh sách tín hiệu SCADA (Datalist)

 Tín hiệu đo lường

 Tín hiệu chỉ thị trạng thái

 Tín hiệu cảnh báo, bảo vệ

 Tín hiệu điều khiển

Chuyển đổi tín hiệu và xử lý sai số tín hiệu từ RTU

Tín hiệu đo lường (TM, ATM):

Chuyển đổi tín hiệu và xử lý sai số tín hiệu từ RTU

Tín hiệu chỉ thị trạng thái (DI, TSD) và tín hiệu (SI, TSS):

Chuyển đổi tín hiệu và xử lý sai số tín hiệu từ RTU

Tín hiệu Tín hiệu điều khiển (RC, RCD)

 Tính tin cậy: đặc tính quan trọng nhất

của các hệ thống SCADA/EMS nói chung

là tính tin cậy Hệ thống được thiết kế để đảm bảo làm việc liên tục, thông tin

chính xác, không xảy ra mất mát thông tin và thực hiện lệnh thao tác nhanh

Một số đặc tính chung của hệ

thống SCADA/EMS (tt):

đảm bảo việc thu nhận, xử lý thông tin, đáp

ứng lại các sự kiện xảy ra trên hệ thống điện

trong một khoảng thời gian đủ nhỏ (ví dụ: thời gian từ lúc một sự kiện từ lúc xảy ra cho đến

khi người sử dụng nhận được thông tin không quá 2 giây).

SCADA có thể mở rộng dễ dàng đáp ứng với sự phát triển của hệ thống điện, dễ dàng nâng

cấp phần cứng, dễ dàng bổ sung thiết bị khi có yêu cầu v.v… Để có được điều này, hệ thống

phải được thiết kế tuân theo các chuẩn giao

tiếp thông dụng trong công nghiệp (IEC, ANSI, X-Windows, OSF-Motif, SQL, ODBC v.v )

14

– Sử dụng giao diện đồ họa (GUI)

– Nhiều cách hiển thị thông tin

– Phân lớp thông tin

SCADA thường có cấu hình dự phòng.

với các thành phần quan trọng, hệ

thống có nhiều hơn một thiết bị đảm

nhiệm cùng một chức năng Phổ biến

nhất là cấu hình dự phòng 1+1 Ví dụ,

hệ thống có hai máy tính, một ở chế

độ làm việc, một ở chế độ dự phòng.

Khái niệm “Dự phòng”

yêu cầu về tính sẵn sàng rất cao

(thường từ 0.98 trở lên) nên đối

với các thiết bị quan trọng thường

sử dụng cơ chế Hot-standby.

Các cơ chế dự phòng

 Một thiết bị ở trạng thái làm việc (Hot), một thiết bị ở

trạng thái dự phòng (Standby) Hai thiết bị H và S liên

tục gửi cho nhau một tín hiệu quy ước nào đó để giám

sát lẫn nhau thông qua một kênh đặc biệt, thường

được goi là Watch-dog.

 Định kỳ một khoảng thời gian nào đó (60s), hai thiết

bị thực hiện thao tác đồng bộ dữ liệu

(Synchronization): dữ liệu từ H được cập nhật sang S,

sau khi cập nhật hai thiết bị có cùng trạng thái làm

việc.

 Nếu có sự cố hư hỏng, H ngừng làm việc Tất nhiên là

H sẽ không gửi tín hiệu qua kênh Watch-dog, và do đó

S sẽ biết là H bị sự cố.

 Sau khi S chờ một khoảng thời gian quy ước trước

(30s) mà H vẫn không làm việc, S sẽ tự động nâng cấp

lên thành H’, kích hoạt đầy đủ các chức năng, kết nối

tới các thiết bị khác và khôi phục sự làm việc bình

thường của hệ thống, đồng thời liên tục phát tín hiệu

qua kếnh Watch-dog để báo cho thiết bị kia về trạng

thái hiện tại.

 Sau khi phục hồi lại trạng thái làm việc, H cũ sẽ trở

thành S’ và hệ thống lại quay về trạng thái ban đầu.

Cơ chế dự phòng

Hot-standby

Hệ thống SCADA

DB

Watch-dog

Cơ chế dự phòng

Hot-standby

thiết bị (MC, DCL, MBA, MFĐ, …); tín hiệu chỉ

thị, cảnh báo (rơ le bảo vệ, tủ thiết bị)

khác

dụng khác

Hệ thống SCADA quản lý

những thông tin gì?

Hệ thống viễn thông

Hệ thống viễn thông

CSDL chính, thông tin cập nhật liên tục, phản

ánh trạng thái mới nhất của hệ thống điện

được giám sát, gồm hai phần:

– Dữ liệu SCADA: dữ liệu thu nhận thực tế từ hệ thống điện

– Dữ liệu EMS: là dữ liệu được các chương trình EMS tính toán và kết xuất ra

là trạng thái thực của hệ thống (lấy từ CSDL

thời gian thực) hoặc là một trạng thái giả định

bất kỳ, dùng để mô phỏng, nghiên cứu, đào

tạo, tập huấn

lưu trữ lâu dài (có thể lên đến vài năm)

Tổ chức CSDL trong hệ thống

SCADA/EMS

Hệ thống SCADA/EMS

Thu thập

dữ liệu

Người dùng

Nhập dữ liệu

Cơ sở dữ liệu quá khứ

Quản lý thông tin quá khứ

4 0 60

1st Qtr 2nd Qt r

Giao diện người - máy

Trao đổi thông tin

Chương trình Thu thập

dữ liệu

Hiển thị thông tin trực quan: thông tin được

trình bày sao cho người sử dụng nhanh

chóng nhận biết thông tin, nghĩa là được thể hiện dưới dạng đồ họa, dưới các màu khác

nhau, dưới các khối hình thể khác nhau, v.v…

Hiển thị sơ đồ nhất thứ: thể hiện sơ đồ nhất

thứ của một TBA hay của một vùng lưới điện

hoặc toàn bộ lưới điện Lưới điện có thể được hiển thị kèm với hệ thống thông tin địa lý

(GIS).

Một số chức năng chủ yếu

của hệ thống SCADA (tt)

Giám sát và điều khiển: bao gồm

giám sát các thiết bị và các giá trị

đo lường, v.v đồng thời thực hiện các lệnh thao tác lên các thiết bị.

Các thông tin cần được thể hiện

trên sơ đồ nhất thứ: các thông tin

chỉ trạng thái của các thiết bị đóng cắt, các cảnh báo trên các thiết bị, các giá trị đo lường, đo đếm, tình

trạng làm việc của thiết bị (mang

điện, không mang điện, tiếp đất,

v.v…).

Một số chức năng chủ yếu

của hệ thống SCADA:

 Chức năng lập báo biểu, thống kê (reporting):

cho phép người dùng trích xuất các báo cáo

hay lập các biểu đồ thống kê về thông tin do

hệ thống SCADA/EMS quản lý và lưu trữ

 Chức năng phân quyền (authorization):

chương trình cho phép người sử dụng phân

chia quyền truy nhập thông tin cũng như các quyền mà người sử dụng được phép trên hệ

thống

 Chức năng mô phỏng, đào tạo (training

simulation): giải quyết các bài toán thực tế

trong môi trường mô phỏng hoặc dùng để đào tạo người sử dụng

Một số chức năng chủ yếu của

hệ thống SCADA (tt)

liên động) đối với thao tác trên các

thiết bị điện: cấm đóng, cấm cắt, v.v…

thu thập và lưu trữ lại các thông số đo

được trên hệ thống và các tác động

của BVRL, hệ thống SCADA có thể

được sử dụng để trình bày lại các sự

kiện trong quá khứ, phục vụ phân tích

sự cố

Một số chức năng chủ yếu của

hệ thống SCADA (tt)

Chức năng ghi nhận sự kiện theo tuần

tự (SOE): là một chương trình ghi lại tất

cả các sự kiện trên hệ thống điện (thay đổi trạng thái của các thiết bị, tác động bảo vệ rơle v.v…) theo trình tự thời gian với độ phân giải là 1ms.

Chức năng cảnh báo (Alarm): Chương

trình cho phép người dùng thiết lập các cảnh báo khi hệ thống phát hiện các

thay đổi bất thường hoặc khi có các sự

kiện xảy ra trên các thiết bị điện được

giám sát (điện áp thấp, máy cắt mở,

v.v ) Chức năng cảnh báo còn được áp dụng cho cả các thiết bị RTU, máy tính, thiết bị thông tin v.v…

Một số chức năng chủ yếu của

hệ thống SCADA (tt):

Chức năng lập lịch, kế hoạch

công việc.

Chức năng dự báo phụ tải.

Một số chức năng chủ yếu của

hệ thống SCADA (tt):

 EMS là một tập hợp các chương trình phần mềm ứng dụng dùng trong công tác vận hành

hệ thống điện truyền tải, được sử dụng nhằm cung cấp khả năng tối ưu hoá trong việc vận hành hệ thống điện Có thể kể một số ứng dụng thường gặp trong các hệ thống SCADA/EMS:

– Real-Time State Estimator,

– Real-Time Contingency Analysis,

– Real-Time Security Enhancement,

– Generation schedule,

– Outage Scheduler,

– Load Forecast,

– Dispatching Power Flow,

– Study contingency analysis,

– Study Optimal Power Flow or Security Enhancement v.v….

Các ứng dụng EMS:

So sánh với các chương trình tính toán

khác, EMS có ưu điểm:

 Sử dụng thông tin thời gian thực (các thông tin

được thu thập qua hệ thống SCADA)

 Chương trình được thực hiện trong thời gian thực,

mỗi một sự thay đổi của lưới điện được tính toán

và đưa ra kết quả nhanh chóng

 Hệ thống quản lý thông tin tập trung, cho phép

người sử dụng truy nhập thông tin đầy đủ, dễ dàng

và tiện lợi

 Có thể truy xuất, trao đổi dữ liệu từ các phần mềm

tính toán ngoài vào EMS và ngược lại

Các ưu điểm của EMS:

Đầu vào

Chương trình offline (PSS/E, v.v…)

Các thành phần chính của hệ

thống SCADA/EMS:

 Hệ thống các máy tính chủ, các trạm làm việc đặt tại Trung tâm điều độ.

 Hệ thống các RTU/GW đặt tại các TBA,

NMĐ, các hệ thống SCADA và các Trung

tâm điều độ khác.

 Hệ thống viễn thông truyền số liệu: thiết bị mạng LAN, WAN; máy chủ tiền xử lý truyền thông CFE; thiết bị đầu cuối viễn thông

(PCM, SDH, tổng đài, modem, đầu thu phát

vi ba, v.v.) nằm rải rác trên địa bàn miền

Trung

Các trạm làm việc của Điều độ viên Máy tính quản ly

Thông tin quá khứ

Máy tính quản trị CSDL

ROUTER Đến các TTĐĐ

Máy in laser A4

Máy in màu A3

Máy in laser A3

hệ thống SCADA

Các máy tính chủ ICCP

Các máy tính mô phỏng đào tạo Điều độ viên

RTU

Í/Os

Trạm biến áp 220kV Trạm biến áp 110kV Nhà máy điện

Các thành phần chính của hệ

thống SCADA/EMS (tt):

 Hệ thống trung tâm:

liệu mà hệ thống SCADA thu thập, quản lý

tiếp với hệ thống viễn thông để truyền số liệu

hệ thống phóng hình VPS, máy in, v.v

40

hệ thống điện cho hệ thống SCADA/EMS.

tác với hệ thống, tạo giao diện trực quan, nhận lệnh từ người sử

dụng và đưa thông tin từ hệ thống đến người sử dụng.

dữ liệu lâu dài.

phỏng (tình huống thực tế hoặc tình huống giả định) nhằm phân tích

sự cố, thử nghiệm giải pháp, đào tạo kỹ sư điều hành, diễn tập sự cố.

41

Phần mềm hệ thống SCADA/EMS

(tt):

 Các phần mềm EMS:

v.v….

42

Các thành phần chính của hệ

thống SCADA/EMS (tt):

đo lường, báo hiệu và chỉ thị tại TBA/NMĐ;

thực hiện các lệnh điều khiển từ TTĐĐ đến

thiết bị điện.

nhiều RTU.

khác nhau, nhiều thông số kỹ thuật khác nhau

43

Một số chủng loại RTU tiêu biểu:

44

Các thiết bị đầu cuối khác (GW):

Các thiết bị điện tử thông minh (IED).

Các hệ thống tự động trạm (SAS, DCS)

Các hệ thống SCADA của TBA, NMĐ.

Các thiết bị đầu cuối nói trên được gọi

chung là Gateway (GW) để phân biệt

với các RTU truyền thống.

45

Phương thức kết nối RTU với

thiết bị điện:

 Kết nối trực tiếp (kiểu truyền thống):

RTU có mạch điện kết nối trực tiếp với

mạch nhị thứ tại các tủ điều khiển, tủ

rơ le bảo vệ để lấy thông số đo lường,

tín hiệu và gửi tín hiệu điều khiển.

 Kết nối gián tiếp: RTU kết nối với thiết

bị điện (rơ le bảo vệ hoặc IED) bằng các mạch truyền số liệu

46

Các thành phần chính của hệ

thống SCADA/EMS (tt):

 Hệ thống viễn thông và truyền số

liệu:

WAN của EVN và mạng riêng của Điều độ Quốc gia

A3, EVNTelecom, PTC2, PTC3, CPC; đi qua địa bàn

rộng lớn, nhiều đơn vị quản lý; nhiều điểm ghép, tách;

qua nhiều phương tiện truyền dẫn (quang, vi ba, tải ba, v.v.) nên phức tạp, thường xuyên bị sự cố, khó xử lý,

xử lý chậm, v.v

47

 RTU là các thiết bị đầu cuối, đặt tại

TBA/NMĐ hoặc tại nơi có thiết bị cần giám sát, có nhiệm vụ thu thập số liệu và gửi về Trung tâm, đồng thời gửi các lệnh điều

khiển từ Trung tâm tới các thiết bị chấp

hành

giám sát tại từng trạm, RTU có thể có kích thước và quy mô thay đổi

tiếp trực tiếp với Trung Tâm không cần RTU thông qua các giao thức chuẩn dùng trong công nghiệp

RTU:

Một RTU điển hình của hãng Microsol xXCell (Ireland) đang được sử dụng khá phổ biến trong hệ thống SCADA tại Việt Nam.

Cấu hình thông thường bao gồm:

- 1 card vi xử lý (Processor board): làm nhiệm vụ xử lý tập trung tất cả các tín hiệu vào / ra, xử lý giao thức thông tin và liên kết với trạm chủ.

- Các card vào ra (I/O board): có thể là AI,

AO, DI, DO, chịu trách nhiệm xử lý riêng biệt từng loại tín hiệu khác nhau

RTU (tt):

Có thể gắn thêm các cell tuỳ theo cấu

hình và quy mô của từng trạm

Cell 1

Cell 2

Cell 3

Rack 1

Rack 2

Rack n

RTU (tt):

RTU (tt):

 Một số loại RTU khác hiện đang được sử

dụng trong các hệ thống SCADA tại Việt

Nam:

RTU211 (ABB) RTU C264 (Areva)

Callisto IES (Remsdaq)

51

 Các thông tin tại một TBA được chia thành

các loại sau: các giá trị đo lường (Analog - TM), các giá trị trạng thái và cảnh báo

(Digital - TS)

loại card vào/ra tương ứng để thu thập dữ liệu.

tiếp IED, RTU có thể lấy thông tin bằng

giao tiếp qua các chuẩn giao tiếp thông tin tuân thủ chuẩn IEC.

RTU với thiết bị như hình vẽ sau.

RTU thu thập những thông tin gì:

Card vào ra

loại tương tự

Transducer Transducer

Card vào ra loại trạng thái

Card vào ra loại đo đếm

Bộ xử lý RTU

Các thiết bị thông minh IED Thiết bị hay mạch giám sát tại TBA

Cổng truyền

tin

Hệ thống SCADA

họ SPAcom hoặc REL/REF của ABB,

7SJxxx hoặc 7SAxxx của Siemens, MICOM của AREVA v.v…), có thể là một công tơ

điện tử hoặc cũng có thể là một thiết bị

đo lường hiển thị.

được, có cổng giao tiếp để kết nối với hệ

thống tích hợp điều khiển tại trạm, với

RTU hoặc Trung tâm điều khiển.

61850/UCA2, Modbus TCP, DNP TCP, IEC

870-5-104 , v.v…

54

 Thu thập thông tin đa dạng

trong trường hợp mất đường truyền viễn thông về Trung tâm,

(protocol).

(GPS).

Các yêu cầu chung đối với các

RTU:

Giao thức truyền tin IEC60870-5-101:

 Giao thức IEC60870-5-101 (IEC101)

– là giao thức chuẩn quốc tế, được sử dụng rộng

rãi trong các hệ thống công nghiệp

– là giao thức được nhiều nhà cung cấp thiết bị

hỗ trợ.

– là giao thức được dùng để truyền số liệu giữa

trung tâm điều độ và RTU/GW

56

Giao thức truyền tin IEC60870-5-101 (tt):

 Được thiết kế để làm việc với các kênh

truyền số liệu nối tiếp kiểu leased-line,

có tốc độ kết nối từ 200-64000 baud.

 Hỗ trợ nhiều cấu hình ghép nối:

– Điểm – điểm (Point-to-Point)

– Điểm – đa điểm (Multi point-to-Point)

– Multi point-Party line

57

Vấn đề tương thích IEC101:

 Bảng kiểm định chuẩn giao thức truyền tin IEC 60870-5-101 (IEC 60870-5-101

Protocol Interoperability Check List).

 Ý nghĩa của Bảng kiểm định chuẩn giao thức truyền tin IEC 60870-5-101

58

được cấu hình đúng yêu cầu.

giao tiếp (tiếng Việt – tiếng Anh, tiếng Trung

Quốc, v.v.) dẫn đến hiểu nhầm, hiểu sai.

59

 Hệ thống viễn thông: tập hợp các phương

tiện truyền dẫn (cáp quang FO, vi ba MW, tải ba PLC sóng siêu cao tần UHF, ) được dùng để truyền số liệu từ Trung tâm điều khiển đến thiết bị đầu cuối.

phương tiện truyền dẫn đa dạng, cộng với nhiều giao thức truyền thông nên hầu hết các hệ thống SCADA/EMS/DMS đều sử dụng một thiết bị tiền xử lý thông tin (CFE), thiết

bị này vừa làm nhiệm vụ tập trung dữ liệu (concentrator), vừa làm nhiệm vụ chuyển đổi giao thức (protocol converter).

Hệ thống viễn thông: