Xây dựng hệ thống giám sát đập và hồ chứa tích hợp với SCADA nhà máy thủy điện đồng nai 3

Mục tiêu nghiên cứu Mục đích của luận văn là xây dựng chương trình SCADA giám sát đập và hồ chứa nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 tại phòng điều khiển trung tâm 3.. Xây dựng chương trình tí

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐÌNH TRUNG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐẬP

VÀ HỒ CHỨA TÍCH HỢP VỚI SCADA

NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số: 60.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Thành Việt

Phản biện 1: TS Nguyễn Hữu Hiếu

Phản biện 2: TS Vũ Phan Huấn

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 03

tháng 03 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của nền

kinh tế, tốc độ công nghiệp hoá tăng nhanh Trong sự phát triển kinh

tế đất nước sau hơn 40 năm đổi mới, thủy điện đóng vai trò vô cùng

to lớn, và là một cấu phần quan trọng của ngành điện đảm bảo cung ứng điện cho quá trình hội nhập kinh tế quốc tế

Hiện nay cả nước có 330 công trình thủy điện với tổng công suất 17.615 MW đang vận hành Năm 2017, sản lượng điện sản xuất

từ thủy điện đạt 63,73 tỷ kWh, chiếm 32% tổng sản lượng điện năng của cả nước Đây là nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo, giá thành rẻ hơn so với các nguồn khác

Các hồ chứa của công trình thủy điện với tổng dung tích khoảng 56 tỷ m3, chiếm 86% tổng dung tích hồ chứa trên cả nước, đã góp phần quan trọng vào việc cắt lũ cho hạ du và sản xuất điện năng Vào mùa cạn, các hồ này cung cấp nước cho khu vực hạ du góp phần vào việc bảo đảm an ninh lương thực và trật tự, an toàn xã hội Hiện nay, giám sát mực nước hồ chứa chính xác trong mùa lũ nhằm điều tiết lưu lượng xả rất quan trọng, cũng như việc giám sát mực nước hồ chứa trong vận hành liên hồ khi tham gia thị trường điện cần đảm bảo sự tối ưu Trong khi đó việc giám sát mực nước bằng camera do con người đọc không thực sự tin cậy và chính xác Ngoài ra, chất lượng đập thủy điện là yếu tố quan trọng bậc nhất trong vận hành một nhà máy thủy điện, nó liên quan tới sự an toàn của tổ máy và vùng hạ du Cho nên việc giám sát chất lượng đập hàng ngày, hàng giờ là yếu tố tiên quyết để đảm bảo chất lượng đập nằm trong phạm vi cho phép để tiếp tục vận hành

Vì vậy việc ứng dụng hệ thống SCADA nhằm giám sát mực nước hồ thủy điện và giám sát đập nhằm vận hành an toàn, tối ưu là một nhiệm vụ quan trọng trong vấn đề vận hành nhà máy thủy điện hiện nay

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích của luận văn là xây dựng chương trình SCADA giám sát đập và hồ chứa nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 tại phòng điều khiển trung tâm

3 Đối tượng và công cụ nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Hồ chứa và Đập nhà máy thủy điện Đồng Nai

Công cụ nghiên cứu : Phần mềm PLC S7-200, và phần mềm PC 200W, Phần mềm Multilogger

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu logic, giám sát SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Nghiên cứu quy trình giám sát Đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Xây dựng chương trình giám sát mực nước hồ từ phòng điều khiển trung tâm nhà máy

Xây dựng chương trình tính toán các đầu dò giám sát đập sử dụng phần mềm PC 200W, phần mềm Multilogger

Phương thức SCADA giám sát đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Xây dựng chương trình và thực nghiệm tại nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Xây dựng lên hệ thống SCADA giám sát mực nước hồ và chất lượng đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 Nhằm giúp công ty thủy điện Đồng Nai quản lý và vận hành tối ưu, an toàn nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

6 Cấu trúc luận văn:

Căn cứ vào mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu luận văn được đặt tên như sau:

“XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐẬP VÀ HỒ CHỨA TÍCH HỢP VỚI SCADA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3.”

Nội dung luận văn gồm các chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 Chương 2 Xây dựng chương trình SCADA giám sát mực nước hồ nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Chương 3 Xây dựng chương trình SCADA giám sát đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

1.1 Giới thiệu sơ lược về nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

1.2 Vai trò của nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

1.3 Các hạng mục công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 1.4 Các thông số chính công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 1.5 Kết luận chương 1

Trong chương 1, đã trình bày được vị trí, vai trò, nhiệm vụ và các thông số cơ bản của nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Từ những vai trò trên việc cần thiết xây dựng các hệ thống giám sát liên tục, tin cậy của nhà máy là nhiệm vụ rất quan trọng trong công tác xây dựng, vận hành phát triển an ninh năng lượng Một trong các hệ thống cần được giám sát từ xa trên mạng SCADA của nhà là hệ thống giám sát mực nước hồ và đập, bởi vì đây là công trình đầu mối tuyến năng lượng của nhà máy

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH SCADA GIÁM SÁT MỰC NƯỚC HỒ CHỨA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

2.1.3.1 Bộ điều khiển AC800M

Hiện nay mực nước hồ đang được giám sát bằng camera tại ngay thước đo mực nước hồ, mà không có tín hiệu truyền về trung tâm cách nhà máy 5 km

Khi mùa lũ xảy ra việc giám sát mực nước nhằm vận hành hồ chứa liên hồ điều tiết lũ gặp khó khăn do sự dao động của sóng, và lưu lượng về hồ lớn dẫn đến việc giám sát mực nước bằng camera sẽ không tin cậy và chính xác

2.2 Tính toán lựa chọn sensor mực nước hồ chứa

2.2.1 Quan hệ giữa mực nước và diện tích hồ chứa NMTĐ Đồng Nai 3

Biểu đồ 2.1 Quan hệ dung tích và mực nước hồ F = f(z)

2.2.2 Lựa chọn sensor mực nước

2.2.2.1 Giới thiệu các loại sensor đo mực nước

2.2.2.2 Lựa chọn sensor mực nước hồ nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Hình 2.1 Sensor mực nước Vega Plus

Bảng 2.3: Bảng thông số kĩ thuật sensor Vega Plus

6 Dải đo lường Max 45m

7 Dải áp suất -1 +40 Bar

8 Bước thời gian ≤ 3s

9 Nhiệt độ vận hành -40° to +185°F

10 Độ chính xác ≤ 1mm

Hình 2.2 Khoảng cách lắp đặt so với bề mặt của tường chắn

2.3 Mạng truyền thông của hệ thống SCADA giám sát mực nước

hồ chứa nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

2.3.1 Đường truyền thông trong hệ thống

2.3.2 Trung tâm thu thập và xử lý số liệu

2.3.3 Phần mềm xử lý tín hiệu

2.3.3.1 Phần mềm tính toán tại chỗ

Hệ thống tính toán mực nước tại chỗ được lập trình bởi bộ lập trình logic khả trình PLC S7-200 là phần mềm loại nhỏ của hãng

Siemens có cấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng Các module này đươc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau Ưu điểm của hệ thống khi chọn PLC S7-200 là giá thành rẻ, dễ lập trình, và có modul đọc các tín hiệu analog 4-20mmA do sensor phát ra

Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của PLC S7-200 2.3.3.2 Phần mềm điều khiển trung tâm

2.4 Thiết kế hệ SCADA giám sát mực nước nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

2.4.1 Các thiết bị chính tủ giám sát tại chỗ

2.4.1.1 CPU 226 DC/DC/DC

2.4.1.2 Modul Analog (AI) EM 231

2.4.1.3 Modul quang điện MOXA

2.4.2 Phương trình tính toán mực nước hồ

2.4.2.1 Đặt vấn đề

Chương trình tính toán được viết cho phương trình analog trên PLC S7-200 với các thông số đầu vào như sau:

 Dải đo: 0-30m

 Tín hiệu cảm biến truyền về: 4-20mmA

 Trong đó PLC S7-200 đọc tín hiệu analog có độ phân giải

từ 6400 đến 32000 nghĩa là 4mA đọc vào thì trong PLC hiểu là 6400 đơn vị và 20mA đọc về là 32000 đơn vị

2.5.1 Giao diện hiện thị

Hình 2.4 Màn hình SCADA giám sát mực nước tại phòng điều

khiển trung tâm

2.5.2 Biểu đồ dữ liệu

Hình 2.5 Biểu đồ dữ liệu mực nước

Hình 2.6 Vận hành hệ thống SCADA giám sát mực nước hồ

NMTĐ ĐN3

2.5.3 Hình ảnh lắp đặt thực tế hệ thống

Hình 2.7 Sensor lắp đặt thực tế trên hồ thủy điện NMTĐ ĐN3

Hình 2.8 Tủ điều khiển giám sát tại chỗ với PLC S7-200

Hình 2.9 Các thiết bị chính trong tủ điều khiển tại chỗ

Hình 2.10 Các thiết bị kết nối tủ điều khiển trung tâm

2.6 Kết Luận chương 2

Trong chương 2, luận văn đã xây dựng được chương trình giám sát mực nước hồ tích hợp vào hệ thống SCADA của nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Chương 2 đã xây dựng được chương trình PLC tính toán từ sensor Rada đo mực nước hồ, Bên cạnh đó luận văn đã đưa ra được phương thức kết nối, tích hợp vào hệ thống SCADA của nhà máy Sau quá trình nghiên cứu thử nghiệm thực tế hệ thống Scada giám sát mực nước hồ nhà máy thủy điện Đồng Nai 3, đã được ứng dụng thực tế vào công tác giám sát mực nước tại nhà máy thủy điện

Đồng Nai 3

Hệ thống đã mang tính thực tiễn cao, độ chính xác tin cậy hơn

so với phương pháp thủ công trước đây Hiện nay người vận hành đã

sử dụng hệ thống để giám sát và tính toán mực nước phục vụ công tác thị trường điện cũng như điều tiết lũ

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH SCADA GIÁM SÁT ĐẬP NHÀ

MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

3.1 Giám sát chất đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

3.1.1 Mục đích và ý nghĩa của giám sát đập

Để quản lý sử dụng công trình được tốt đảm bảo làm việc chính xác, an toàn, phát huy tốt năng lực thiết kế đồng thời cung cấp tài liệu cho việc cải tiến, hoàn thiện công trình, các đơn vị quản lý cần phải thực hiện giám sát một số nội dung đối với các công trình chủ yếu

Yêu cầu giám sát phải chính xác, trung thực, phải có hệ thống, thống nhất, phải giám sát kịp thời Nội dung chủ yếu giám sát bao gồm:

Giám sát biến dạng của công trình như sự di chuyển vị trí Giám sát lún của công trình

Giám sát nứt nẻ công trình

Quan trắc thấm qua đập

Giám sát nhiệt độ thân đập

3.1.2 Nhiệm vụ của công tác giám sát đập

3.1.3 Nội dung của công tác giám sát đập

3.1.4 Vai trò, hiện trạng của hệ thống giám sát đập NMTĐ Đồng Nai 3

3.1.4.1 Vai trò

3.1.4.2 Hiện trạng hệ thống giám sát đập NMTĐ ĐN3

Hiện nay, đập tràn nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 đã có lắp sẵn các đầu dò giám sát các thông số về chất lượng đập từ lúc thi

công công trình đập tràn Tuy nhiên tất các đầu dò trên gồm 143 đầu

dò chỉ được đưa về các bộ dồn kênh Multilogger (MUX) bao gồm 14

bộ nằm trải dài trên 3 hành lang thân đập cao 108m

Do vậy với quy trình yêu cầu 10 ngày phải thu thập các dữ liệu giám sát 1 lần để có cơ sở đánh giá chất lượng đập Vì thế các nhân viên vận hành sẽ thực hiện dùng máy đo xách tay chuyên dụng vào hành lang thân đập và đo trực tiếp các đầu dò trên Khi đó việc mất thời gian và công sức cũng như sự tin cây có số liệu là không đảm bảo Từ những thực trạng trên cần đưa ra giải pháp để thu thập số liệu từ xa tại phòng ĐKTT thông qua hệ thống SCADA tại nhà máy TĐĐN3

3.2 Tổng quan hệ thống giám sát đập nhà máy TĐĐN3

3.2.1 Giới thiệu về đập nhà máy TĐĐN3

Là đập bê tông đầm lăn (RCC), cao trình đỉnh đập +595 (m); cao trình dài đỉnh đập 586,4 (m); chiều rộng đỉnh đập 10 (m); chiều cao đập 108 (m); mái thượng lưu thẳng đứng, mái hạ lưu nghiêng với

Trong 3 hành lang thân đập được bố trí các đầu dò giám sát khác nhau nằm trải đều trong toàn đập Các đầu dò ở vị trí gần nhau

sẽ được đưa về các hộp dồn kênh multilogger (MUX) tương ứng Sơ

đồ bố trí sẽ được miêu tả như sau:

Hình 3.12 Sơ đồ bố trí thiết bị hành lang đập nhà máy

TĐDN3

3.2.2 Các thiết bị giám sát lắp đặt bên trong đập nhà máy TĐĐN3

Bảng 3.1 Bảng số liệu thống kê thiết bị lắp đặt giám sát đập

3.2.3 Giới thiệu các thiết bị giám sát

1 Sensor đo áp lực thấm tự động 16 P1÷ P16

2 Sensor đo cảm biến nhiệt bêtông 60 DN1÷ DN2060

3 Sensor đo ứng suất bêtông 16 S1÷ S16

4 Sensor đo chuyển dịch vị trí 2

3.2.3.3 Sensor đo cảm biến ứng suất

Hình 3.15 Sensor ứng suất 3.2.3.4 Sensor đo chuyển dịch vị trí 2D, 3D

Hình 3.16 Bố trí sensor chuyển dịch vị trí ba chiều

3.2.3.5 Bộ dồn kênh multilogger (MUX)

Hình 3.17 Sơ đồ đấu dây bộ dồn kênh thực tế

3.3 Thiết kế hệ SCADA giám sát đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

3.3.1 Sơ đồ mạng truyền thông SCADA trong hệ thống giám sát

Hình 3.18 Sơ đồ kết nối truyền thông mạng SCADA giám sát đập

3.3.2 Các thiết bị chính trong hệ thống SCADA giám sát đập

3.4.1 Thiết lập đường truyền thông

3.4.2 Chương trình tính toán SCADA giám sát đập

3.4.2.1 Xây dựng chương trình

 Cấu hình Datalogger 1 và Datalogger 2:

 Xây dựng dữ liệu đầu vào:

3.4.2.2 Lưu trữ dữ liệu

Hình 3.21 Truy xuất dữ liệu

3.5 Các hình ảnh thực tế hệ thống

3.5.1 Giao diện hiện thị

Hình 3.22 Màn hình SCADA giám sát thông số đập NMTĐ DN3

Hình 3.34 Các thiết bị chính trong tủ Data

3.6 Kết Luận Chương 3

Trong chương 3, đã xây dựng được mạng SCADA truyền thông từ các sensor giám sát từ đập về phòng điều khiển trung tâm Bên cạnh đó đã xây dựng được chương trình tính toán các giá trị sensor giám sát trên phần mềm PC200W

Xây dựng được cơ sở dữ liệu của các sensor nhằm giúp người vận hành theo dõi, thu thập cơ sở dữ liệu của các sensor tại phòng điều khiển trung tâm nhà máy theo thời gian thực

Hệ thống đã mang tính thực tiễn cao, độ chính xác tin cậy hơn

so với phương pháp thủ công trước đây Hiện nay người vận hành đã

sử dụng hệ thống để theo dõi, truy xuất dữ liệu phục vụ công tác đánh giá chất lượng đập định kỳ theo quy định liên hồ

Thông qua hệ thống SCADA có thể quản lý, giám sát hệ thống tại bất cứ địa điểm nào thông qua mạng truyền thông dữ liệu Do vậy khái niệm về khoảng cách không còn là trở ngại đối với việc điều hành, điều khiển hệ thống

Hệ thống SCADA giúp quá trình xử lý tình huống diễn ra nhanh chóng do có sự hỗ trợ tính toán từ máy tính và được lưu trữ dữ liệu lâu dài giúp công tác quản lý, đánh giá và dự đoán được chính xác hơn trong bối cảnh thị trường điện việt nam đang dần hình thành

 ĐÓNG GÓP VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN VĂN

Thông qua kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ có thêm nhiều

hệ thống công trình thủy điện được áp dụng công nghệ SCADA vào quản lý vận hành công trình vì hiện nay ở nước ta việc sử dụng công nghệ này vào quản lý, khai thác, giám sát các công trình đầu mối của nhà máy thủy điện chưa nhiều

Cần nâng cao kỹ năng bảo trì bảo dưỡng, xử lý hư hỏng của hệ thống giám sát tự động hóa cho các kỹ sư , công nhân của các nhà máy điện để quản lý và sữa chữa hệ thống kịp thời

Thực hiện triển khai, áp dụng thực tế hệ thống giám sát đập và mực nước hồ chứa tích hợp với hệ thống SCADA trên các nhà máy

máy thủy điện bậc thang của thượng nguồn sông Đồng Nai như: nhà máy thủy điện Đồng Nai 2, nhà máy thủy điện Đồng Nai 4, nhà máy thủy điện Đồng Nai 5 Nhằm mục đích giám sát liên hồ đập theo quy trình được đảm bảo chính xác, khách quan và an toàn