Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, công nghệ đặc biệt là cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra với những thành tựu vượt bậc. Việc ứng dụng những công nghệ mới vào dây chuyền sản xuất, kinh doanh của các doanh nghiệp để mang lại hiệu quả cao về nhiều mặt là điều tất yếu. Trước nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, yêu cầu cấp thiết đối với ngành điện là độ tin cậy cung cấp điện. Một trong những lý do chính làm giảm độ tin cậy cung cấp điện chính là sự cố. Để giải quyết vấn đề, tác giả nghiên cứu áp dụng giải pháp tự động phân đoạn nhằm khai thác tiềm năng hệ thống SCADA hiện có với nguồn kinh phí tiết kiệm. Nội dung nghiên cứu là áp dụng công nghệ tự động phân đoạn để phối hợp các thiết bị phân đoạn trên lưới nhằm nhanh chóng cách ly phân đoạn bị sự cố và tự động cấp điện trở lại cho các phân đoạn không bị sự cố trong thời gian nhanh nhất, tăng độ tin cậy cung cấp điện.
Trang 1NGUYỄN TẤT THÀNH
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ
TỰ ĐỘNG PHÂN ĐOẠN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Trang 2Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÊ KIM HÙNG
Phản biện 1: TS Trịnh Trung Hiếu
Phản biện 2: TS Vũ Phan Huấn
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốtnghiệp Thạc sĩ kỹ thuật điện họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27
tháng 10 năm 2018
0.00
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Trung tâm Học liệu và Truyền thông , Đại học Bách khoa
Trung tâm Thông tin Tư liệu, Đại học Đà Nẵng
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, công nghệđặc biệt là cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra với nhữngthành tựu vượt bậc Việc ứng dụng những công nghệ mới vào dâychuyền sản xuất, kinh doanh của các doanh nghiệp để mang lại hiệuquả cao về nhiều mặt là điều tất yếu
Trước nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, yêu cầu cấp thiết đốivới ngành điện là độ tin cậy cung cấp điện Một trong những lý dochính làm giảm độ tin cậy cung cấp điện chính là sự cố Để giảiquyết vấn đề, tác giả nghiên cứu áp dụng giải pháp tự động phânđoạn nhằm khai thác tiềm năng hệ thống SCADA hiện có với nguồnkinh phí tiết kiệm Nội dung nghiên cứu là áp dụng công nghệ tựđộng phân đoạn để phối hợp các thiết bị phân đoạn trên lưới nhằmnhanh chóng cách ly phân đoạn bị sự cố và tự động cấp điện trở lạicho các phân đoạn không bị sự cố trong thời gian nhanh nhất, tăng
độ tin cậy cung cấp điện
2 Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu đặc điểm hiện trạng lưới điện phân phối
- Hiện trạng hệ thống SCADA, xu thế tự động hóa lưới điệnphân phối và khả năng áp dụng
- Phân tích đặc tính làm việc và các nguyên tắc phối hợp của cácthiết bị đưa ra phương án tối ưu tự động phân đoạn để nâng cao độtin cậy cung cấp điện
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu áp dụng các côngnghệ mới về SCADA/DAS trong đó tập trung vào công nghệ tự độngphân đoạn để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phânphối
Phạm vi nghiên cứu
Trang 4Công nghệ tự động phân đoạn áp dụng cho lưới điện phân phối
TP Đồng Hới thuộc Công ty Điện lực Quảng Bình
4 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên nền tảng lý thuyết
về hệ thống SCADA/DAS, khả năng tự động hóa các thiết bị trênlưới trung thế và các giải pháp truyền thông
Phương pháp nghiên cứu thực tế: Trên thực tế vận hành XT 475TBA 110kV Đồng Hới và XT 477 TBA 110kV Bắc Đồng Hới, tínhtoán và mô phỏng khả năng tự động phân đoạn trên phần mềmSCADA Survalent
Phương pháp tổng hợp: Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và môphỏng thực té, tiến hành phân tích đánh giá, kết luận và đưa ra đềxuất áp dụng hợp lý
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ thống SCADA/DAS là một phânhệ trong định hướng áp dụng DMS trong lưới điện phân phối, đây làlĩnh vực mới được áp dụng tại Việt Nam Đề tài đã đưa ra giải pháp
áp dụng công nghệ tự động phân đoạn phù hợp với hạ tầng lưới điệnvà hiện trạng hệ thống SCADA, đồng thời tính toán cụ thể nên mang
ý nghĩa thực tiễn Góp phần thúc đẩy việc xây dựng lưới điện QuảngBình trở thành lưới điện thông minh, mang hàm lượng kỹ thuật tựđộng hóa cao
6 Cấu trúc của luận văn
Bố cục luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dungcủa luận văn được biên chế thành ba chương như sau:
+ Chương 1: Tổng quan về tự động hóa lưới điện phân phối.+ Chương 2: Khả năng tự động hóa lưới điện phân phối trongviệc tự động phân đoạn tại PC Quảng Bình
+ Chương 3: Áp dụng công nghệ tự động phân đoạn lưới điệnphân phối TP Đồng Hới
Trang 5CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.1 Giới thiệu
Hệ thống tự động hóa lưới điện phân phối (DAS) là hệ thống tựđộng kiểm soát chế độ làm việc của LĐPP nhằm phát hiện phần tử bị
sự cố tách ra khỏi vận hành đồng thời phục hồi việc cấp điện chophần tử không bị sự cố đảm bảo cung cấp điện liên tục DAS được ápdụng khá phổ biến ở các nước phát triển, đặc biệt là Nhật và một sốnước khác cho phép nâng cao cơ bản độ tin cậy cung cấp điện, giảmthiểu thời gian mất điện do sự cố ở mạng phân phối
1.2 Công nghệ tự động hóa trên thế giới
Tự động hóa phân phối đề cập đến một loạt các công nghệ đượctập trung vào theo dõi và kiểm soát thời gian thực và có thể đượcchia thành năm loại công nghệ:
Quản lý tối ưu điện áp và công suất phản kháng (VVO)
Nhận dạng và khôi phục phát hiện lỗi (FDIR)
1.2.1 Tối ưu điện áp và công suất phản kháng
Tối ưu hóa Volt/VAR bao gồm chức năng giảm điện áp bảo vệđược sử dụng để tính toán và duy trì điện áp nhận phía khách hàngđược CVR còn được sử dụng để làm phẳng đồ thị điện áp và điềuchỉnh điện áp hệ thống tổng thể trong giới hạn cho phép theo tiêuchuẩn khuyến nghị của ANSI hay IEC
1.2.2 Tự động hóa tụ bù
Hệ thống cho phép giám sát và điều khiển từ xa vận hành tụ bùthông qua các giao thức truyền thông theo thời gian thực Cung cấp
Trang 6cho người quản lý vận hành bộ công cụ nâng cao hệ số cosφ, tối ưuhóa các phần tử cung cấp điện, giảm thiểu công suất vô công, nângcao công tác vận hành lưới điện.
1.2.3 Phối hợp máy cắt đóng lặp lại và máy cắt phân đoạn
Thiết bị phân đoạn (Sectionaliser) là một giải pháp kinh tế đểphân loại các mạng lưới ngoài trời lớn và thường được sử dụng ởnhững vị trí phối hợp với các thiết bị khác rất khó khăn Bộ phậnnhận diện cảm nhận luồng dòng chảy trên mức đặt trước và khi thiết
bị bảo vệ bên nguồn mở ra để tắt nguồn cho mạch, bộ phận cắt đếmđếm sự gián đoạn quá dòng
Thiết bị cắt là một phương pháp kinh tế để cải thiện hơn nữadịch vụ trên các dây chuyền phân phối được trang bị với reclosershoặc reclosing circuit breakers
1.2.4 Hệ thống quản lý phân phối và quản lý mất điện
Hệ thống quản lý phân phối (DMS) và hệ thống quản lý mấtđiện (OMS) là các hệ thống quản lý riêng biệt có thể có các mức tíchhợp khác nhau Hệ thống quản lý mất điện OMS dựa trên máy tínhhiện đại, sử dụng các mô hình kết nối và giao diện người dùng đồhọa OMS thường bao gồm các chức năng như xử lý cuộc gọi xử lý
sự cố, phân tích tình trạng mất điện và dự đoán, báo cáo độ tin cậy
1.2.5 Công nghệ phát hiện lỗi, cách ly và khôi phục
Phát hiện lỗi, cách ly và khôi phục (FDIR) là một lớp công nghệ
có mục tiêu là để xác định sự xuất hiện của sự cố, ghi lại sự xuấthiện, xác định vị trí sự cố và hỗ trợ trong quá trình phục hồi Nó là sựkết hợp của các hệ thống DMS & OMS nâng cao, cũng như tích hợpchặt chẽ các tài sản cấp trung chuyển với DMS Các hệ thống FDIRcũng có thể sử dụng tự động chuyển đổi, ví dụ: reclosers,sectionalizers và switch, giúp giảm thiểu số lượng khách hàng bị ảnhhưởng bởi sự cố
1.3 Công nghệ tự động hóa đang áp dụng tại Việt Nam
1.3.1 Hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA là hệ thống giám sát và điều khiển xa cácthành phần cấu thành lưới điện Đây là một hệ thống có cấu trúc mở
Trang 7và phân tán bao, gồm các thành phần cơ bản như hình 1.6 Hệ thốngSCADA trung tâm bao gồm các chức năng [3]:
Thu thập dữ liệu thời gian thực về các giá trị đo lường,thông số và trạng thái vận hành của các thiết bị trên hệthống điện, trong đó dữ liệu và thời gian thu thập dữ liệuphải được xác định, đồng bộ và lưu trữ
Giám sát thời gian thực hệ thống điện, Hiển thị giao diện
đồ họa trực quan
Điều khiển các thiết bị trên hệ thống điện
Lưu trữ dữ liệu thời gian thực thu thập được để chạy cácứng dụng xử lý và phân tích vận hành hệ thống điện
Hình 1.6: Cấu trúc hệ thống SCADA sử dụng phần mềm Survalent
(minh họa)
1.3.2 Hệ thống SCADA/EMS
Hệ thống quản lý năng lượng (SCADA/EMS) là hệ thống theodõi, kiểm soát và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống nguồn lưới và
Trang 8truyền tải Ngoài ra, nó có thể được sử dụng trong các hệ thống quy
mô nhỏ như microgrids
Hệ thống SCADA/EMS có cấu trúc mở và phân tán bao gồm hệthống SCADA trung tâm được tích hợp với hệ thống EMS Hệ thốngđược thiết kế có khả năng bổ sung, nâng cấp và tích hợp thêm cácmáy chủ, bộ xử lý và phần mềm ứng dụng mà không làm thay đổicấu trúc thiết bị phần cứng và phần mềm hiện có của hệ thốngSCADA/EMS
Các thiết bị phần cứng và phần mềm của hệ thống EMS phải cókhả năng tương thích với nhau và tương thích với hệ thống SCADAtrung tâm Đảm bảo các yêu cầu về an toàn, an ninh mạng, bảo mậtthông tin và chống phá hoại từ bên ngoài trong quá trình quản lý vậnhành hệ thống điện truyền tải
1.3.3 Hệ thống SCADA/DMS
Trong những năm gần đây, việc sử dụng năng lượng điện tănglên theo cấp số nhân và yêu cầu của khách hàng và định nghĩa vềchất lượng điện được thay đổi rất nhiều Khi năng lượng điện trởthành một phần thiết yếu của cuộc sống hàng ngày, việc sử dụng và
độ tin cậy tối ưu của nó trở nên quan trọng
Quan điểm mạng thời gian thực và quyết định nhanh chóng trởthành công cụ để tối ưu hóa tài nguyên và quản lý nhu cầu, do đóviệc ứng dụng hệ thống quản lý phân phối để có thể xử lý các luồngcông việc phù hợp là rất quan trọng
Hệ thống quản lý phân phối (DMS) là tập hợp các ứng dụngđược thiết kế để giám sát và kiểm soát toàn bộ mạng lưới phân phốimột cách hiệu quả và đáng tin cậy Nó hoạt động như một hệ thống
hỗ trợ quyết định để hỗ trợ phòng điều khiển và nhân viên điều hànhhiện trường với việc theo dõi và kiểm soát lưới điện Cải thiện độ tincậy và chất lượng dịch vụ điện, duy trì tần số và mức điện áp có thểchấp nhận
Hệ thống SCADA/DMS có cấu trúc mở và phân tán bao gồm hệthống SCADA trung tâm được tích hợp với hệ thống DMS (hình1.7) Hệ thống được thiết kế có khả năng bổ sung, nâng cấp và tíchhợp thêm các máy chủ, bộ xử lý và phần mềm ứng dụng mà không
Trang 9làm thay đổi cấu trúc thiết bị phần cứng và phần mềm hiện có của hệthống SCADA/DMS.
Các thiết bị phần cứng và phần mềm của hệ thống DMS phải cókhả năng tương thích với nhau và tương thích với hệ thống SCADAtrung tâm Đảm bảo các yêu cầu về an toàn, an ninh mạng, bảo mậtthông tin và chống phá hoại từ bên ngoài trong quá trình quản lý vậnhành hệ thống điện truyền tải
1.3.4 Hệ thống SCADA/OMS
Hệ thống quản lý mất điện SCADA/OMS là hệ thống mô hìnhmạng chi tiết của hệ thống phân phối tích hợp thông tin địa lý Việckết hợp vị trí địa lý của khách hàng cùng một bộ công cụ quy tắc sẽ
dự đoán chính xác thông tin về tình trạng mất điện Hệ thống quản lýmất điện cũng thường được tích hợp với các hệ thống SCADA có thể
tự động báo cáo hoạt động của đóng cắt
Điều quan trọng trong hệ thống SCADA/OMS là dự đoán mấtđiện, ước tính khôi phục chính xác đến từng khách hàng Đồng thờihệ thống OMS còn hỗ trợ các hoạt động lập kế hoạch hệ thống phânphối liên quan đến việc cải thiện độ tin cậy bằng cách cung cấp sốliệu thống kê mất điện quan trọng
1.4 Kết luận
Trước sự phát triển của khoa học công nghệ và đòi hỏi ngàycàng cao của xã hội về chất lượng cung cấp điện, việc ứng dụng côngnghệ để tự động hóa lưới điện là điều tất yếu
Trong chương này, chúng ta tìm hiểu về các công nghệ tự độnghóa đang áp dụng trên thế giới và Việt Nam Với đặc thù là nướcphát triển sau, ngành điện Việt Nam áp dụng tự động hóa theo hướnghệ thống tích hợp cho mục đích: khâu nguồn phát, khâu truyền tải,khâu phân phối Đây là một hướng đi đúng đắn trong giai đoạn banđầu, từng bước tiếp cận khoa học công nghệ trên thế giới Tuy nhiên,khi yêu cầu của xã hội ngày càng khắt khe về chất lượng cung cấpđiện cùng với cơ sở hạ tầng đáp ứng thì việc nghiên cứu, phân tíchsâu từng phương pháp là cần thiết
Trang 10Trong chương tiếp theo, chúng ta sẽ đánh giá, phân tích hiệntrạng lưới điện phân phối tỉnh Quảng Bình, khả năng áp dụng để lựachọn giải pháp tự động hóa phù hợp
Trang 11CHƯƠNG 2 KHẢ NĂNG TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRONG VIỆC TỰ ĐỘNG PHÂN ĐOẠN TẠI PC QUẢNG
BÌNH 2.1 Hệ thống SCADA Công ty Điện lực Quảng Bình
2.1.1 Quy mô, hiện trạng hệ thống
Hệ thống SCADA tỉnh Quảng Bình gồm Trung tâm điều khiểnđặt tại Công ty Điện lực Quảng Bình, Trung tâm điều khiển có khảnăng kết nối với Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Trung (A3),các TBA 110kV và thiết bị lưới điện trung thế Hệ thống sử dụngphần mềm Survalent SmartSCADA với giao diện thân thiện và khảnăng dự phòng cao, không giới hạn thiết bị RTU, IED, đường truyềnthông, tài khoản người dùng kết nối vào hệ thống Quy mô hệ thốngSCADA Công ty Điện lực Quảng Bình như hình 2.1
Hình 2.1: Quy mô hệ thống SCADA Công ty Điện lực Quảng Bình
Hệ thống SCADA tỉnh Quảng Bình được xây dựng đáp ứng tiêuchí có khả năng nâng cấp, bổ sung các chức năng mới một cách dễdàng mà không làm thay đổi hệ thống các phần mềm đang làm việc Việc mở rộng sẽ không làm suy giảm tính sẵn sàng, độ tin cậycủa hệ thống đang vận hành, thời gian cắt điện phục vụ thi công lắpđặt và thử nghiệm hệ thống sau khi thay đổi mở rộng cũng nhưkhông yêu cầu cấu trúc lại phần mềm và phần cứng đang làm việc
Trang 12Các phần mềm ứng dụng giám sát, điều khiển được thiết kế linhhoạt nhằm khai thác triệt để khả năng của cấu trúc client/server choviệc phân phối thông tin và ứng dụng để đảm bảo việc nâng cấp và
mở rộng của người dùng là tối thiểu (nguyên lý như hình 2.2)
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống SCADA Công ty Điện lực Quảng
Bình
2.1.2 Tiêu chuẩn áp dụng
a Tiêu chuẩn sản xuất
Phần mềm và phần cứng của hệ thống được sản xuất và pháttriển theo các tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến rộng rãi trong côngnghiệp theo chuẩn ANSI/IEEE, ISO và IEC Điều đó cho phép sửdụng và tích hợp sản phẩm của nhiêu nhà sản xuất khác nhau màkhông bị phụ thuộc vào một cụ thể nhà sản xuất nào
b Giao thức truyền thông
+ Giao thức phía Master: 101; 104; DNP3.0; ICCP; OPC Client
Trang 13IEC60870-5-+ Giao thức phía Slave: IEC60870-5-104; OPC Sever.
c Khả năng kết nối
Datapoint: 50.000
Đường truyền thông đến các IEDs: Không giới hạn
Số lượng RTU/IED kết nối vào phần mềm: Không giớihạn
Số lượng user đăng nhập vào hệ thống: Không giới hạn
d Cấu trúc dữ ỉiệu
Hệ thống dữ liệu được tổ chức với cấu trúc bus dữ liệu dùngchung cho toàn hệ thống tự động hóa từ cấp Trung tâm cho đến cấpTBA 110kV cũng như thiết bị phân phối
2.1.3 Phương pháp truyền thông
a Mô hình hệ thống truyền dẫn quang SDH
Hạ tầng truyền dẫn
quang SDH của Tổng công
ty Điện lực miền Trung
được đầu tư ở các dự án
trước đây, với các thiết bị
SDH tại các TBA 110kV
và cáp quang OPGW trên
đường dây chống sét
110kV
Mô hình hệ thống
truyền dẫn quang SDH của
Tổng Công ty Điện lực
miền Trung và Công ty
Điện lực Quảng Bình như
hình 2.4
Hình 2.4: Hệ thống truyền dẫn quang
SDH tỉnh Quảng Bình
b Truyền thông qua mạng mobile 3G
Sử dụng dịch vụ 3G của nhà cung cấp dịch vụ di dộngVinaphone, dữ liệu truyền nhận giữa 2 điểm đầu cuối thông qua hệthống mạng của nhà cung cấp Hình thức này được sử dụng để kếtnối các thiết bị trung thế trên lưới và các trạm biến áp trung gian về
Trang 14Trung tâm Điều khiển với ưu điểm triển khai nhanh và dễ dàng,không phải đầu tư nhiều cho hệ thống trung gian, điều chỉnh băngthông linh hoạt theo nhu cầu.
Đồng thời nhằm đảm bảo tính bảo mật, đường truyền 3G sửdụng không phải là đường truyền 3G công cộng mà là đường truyềnriêng được thiết lập trên hệ thống dịch vụ mạng riêng ảo VPN MPLSLayer 3 bảo mật theo giao thức IPSec kết nối về mạng lõi của nhàcung cấp và kết nối đến Trung tâm Điều khiển thông qua kênhleaseline
2.2 Khả năng tự động hóa của Recloser và LBS
2.2.1 Tại các Recloser
Các Recloser hiện đang lắp đặt trên lưới điện Quảng Bình đaphần đều hỗ trợ các giao thức kết nối đến hệ thống SCADA như IEC60870-5-101/104, DNP3, Modbus chỉ cần bổ sung thiết bị thôngtin 3G để kết nối về Trung tâm Điều khiển
Đối với một số ít Recloser có tủ điều khiển kiểu cũ (FXB)không hỗ trợ kết nối SCADA Vì vậy, để thực hiện việc kết nốiSCADA phải mua bổ sung card vào/ra của chính nhà sản xuấtRecloser hiện hữu nhưng gặp nhiều khó khăn do nhà sản xuất khôngcòn sản xuất hoặc có sản xuất thì giá thành khá cao Giải pháp hợp lýlà không thực hiện cải tạo mà sẽ tiến hành thay thế các chủng loạimới theo lộ trình cải tạo, nâng cấp lưới điện một cách phù hợp
2.2.2 Tại các LBS
Các LBS hiện có trên lưới điện được trang bị nhiều mã hiệu củanhiều nhà sản xuất khác nhau và chỉ có bộ phận đóng cắt cơ khíkhông có tủ điều khiển
Để thực hiện kết nối SCADA các LBS hiện có trên lưới điệnphải mua sắm bổ sung tủ điều khiển gồm: môtơ và thanh truyền động
từ tủ điều khiển đến bộ phận đóng cắt cơ khí phải cùng mã hiệu vànhà sản xuất với phần đóng cắt cơ khí của LBS hiện hữu trên lướiđiện để đảm bảo tương thích về hành trình truyền động cơ khí, nhưng
do một số mã hiệu LBS của các nhà sản xuất không còn sản xuấthoặc có sản xuất thì giá thành khá cao, sơ đồ của một LBS trọn bộnhư hình 2.7