Nghiên cứu lựa chọn giải pháp thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển giám sát cho Nhà máy thuỷ điện có công suất lớn trên 1000MW

Nghiên cứu lựa chọn giải pháp thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển giám sát cho Nhà máy thuỷ điện có công suất lớn trên 1000MW Nghiên cứu lựa chọn giải pháp thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển giám sát cho Nhà máy thuỷ điện có công suất lớn trên 1000MW luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

BÙI HUY TOÀN

LU ẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Bộ môn: Điều khiển tự động

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS Hoàng Minh Sơn

Hà Nội – Năm 2010

2

M ỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Vài nét v ề phát triển thủy điện ở Việt Nam 8

1.2 Năng lượng của dòng nước và khả năng sử dụng 8

1.3 Phân lo ại nhà máy thủy điện 12

1.3.1 Nhà máy thuỷ điện kiểu đập 12

1.3.2 Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn 14

1.3.3 Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp 16

1.4 Các công trình và thiết bị chính của Nhà máy thủy điện 19

Chương 2: CÁC YÊU CẦU, TIÊU CHUẨN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THI ẾT KẾ CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÓ CÔNG SUẤT LỚN TRÊN 1000MW 20

2.1 Các yêu c ầu, tiêu chuẩn đối với hệ thống điều khiển giám sát NMTĐ có công su ất lớn trên 1000MW 20

2.1.1 Các yêu cầu, tiêu chuẩn chung đối với hệ thống điều khiển giám sát NMTĐ 20 2.1.2 Các yêu cầu, tiêu chuẩn riêng cho NMTĐ có công suất lớn 21

2.2 Phương án cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra tập trung 27 2.3 Phương án cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra phân tán 29 2.4 Phương án thiết kế với cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán với vào ra t ập trung 31

2.5 Phương án thiết kế với cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán với vào ra phân tán 32

2.6 Đánh giá ưu nhược điểm của các phương án 48

Chương 3: CẤP ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÓ CÔNG SU ẤT LỚN TRÊN 1000MW 50

3.1 C ấp điều khiển tại phòng điều khiển trung tâm Nhà máy 51

3.2 C ấp điều khiển nhóm 53

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỔ MÁY 57

4.1 Điều khiển phân bố công suất tác dụng của máy phát 57

4.2 Điều khiển phân bố công suất phản kháng của máy phát 57

3

4.3 Xây d ựng biểu đồ công suất vận hành ngày của NMTĐ bằng phương

pháp s ố 58

Chương 5: ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY 61

5.1 Điều tiết dòng chảy theo nhu cầu điều chỉnh công suất NMTĐ 61

5.2 Phân lo ại điều tiết 62

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

Ph ụ lục 1: Dự kiến các tín hiệu đầu vào 69

Ph ụ lục 2: Danh sách các tín hiệu đầu ra 73

Tài li ệu tham khảo 83

4

mặt cắt I-I

không đều của dòng chảy trên mặt

thất năng lượng đường ống

đáy kéo vào cửa nhận nước

phễu xoáy khí

5

Hình1.1: Sơ đồ tính toán tiềm năng dòng sông

Hình 1.2: Sơ đồ nhà máy kiểu thân đập

Hình 1.3: Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn

Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra tập trung

Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra phân tán

Hình 2.3: Cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán với vào ra tập trung

Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán với vào ra phân tán

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán gồm đủ các cấp điều khiển Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc hệ thống cấp điều khiển nhóm cho tổ máy

Hình 2.7:Sơ đồ cấu trúc hệ thống cấp điều khiển nhóm cho đập tràn cửa nhận nước Hình 3.1: C ấu hình cấp điều khiển nhóm

Hình 3.2 S ự chuyển đổi qua lại giữa những Cell controller dự phòng

Hình 5.1 a : Bi ểu đồ thủy văn

Hình 5.1b: Nhu c ầu phụ tải ngày

Hình 5.2 : Điều chỉnh công suất NMTĐ theo phần đỉnh của biểu đồ phụ tải tổng hệ thống

Hình 5.3 Điều chỉnh công suất NMTĐ, điều tiết tuần

Hình 5.4 : Điều tiết năm

Hình 5.5 : Điều tiết nhiều năm

6

Căn cứ quyết định số 110/2007/QĐ-TTg V/v Phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006-2015 có xét đến năm 2025, theo đó để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội của cả nước với mức tăng GDP khoảng 8,5%-9% năm và cao hơn thì dự báo nhu cầu điện nước ta tăng ở mức 17% năm (phương án

cơ sở), 20% năm (phương án cao) trong giai đoạn 2006-2015, trong đó phương án cao là phương án điều hành, chuẩn bị phương án 22% năm cho trường hợp tăng trưởng đột biến

Chính vì thế việc tìm ra và phát triển các nguồn điện mới là rất cấp bách, việc phát triển nguồn điện mới phải tính toán với các phương án đầu tư chiều sâu và đổi

mới công nghệ các nhà máy đang vận hành; sử dụng công nghệ hiện đại đối với các nhà máy điện mới để đảm bảo việc vận hành an toàn tuyệt đối, không những đáp ứng nhu cầu về năng lượng, điều tiết lũ, thủy lợi, an toàn môi trường mà còn bảo đảm an ninh quốc gia

Để đáp ứng được các yêu cầu trên thì việc lựa chọn giải pháp thiết kế và xây

dựng hệ thống điều khiển, giám sát cho Nhà máy thủy điện là rất quan trọng, là yếu

tố đảm bảo tính vận hành an toàn, hiệu quả

Từ trước đến giờ việc nghiên cứu lựa chọn giải pháp thiết kế và xây dựng hệ

thống điều khiển giám sát cho Nhà máy thủy điện rất hạn chế (chủ yếu là thủy điện

nhỏ 2-4MW, trình tự lựa chọn thiết kế, công nghệ chưa rõ ràng, chưa thực hiện được việc điều khiển giám sát Nhà máy tại các trung tâm điều độ, chưa thực hiện được việc có khả năng kết nối tới các Nhà máy khác, chưa thực hiện được việc điều khiển tối ưu công suất các tổ máy…)

Tại Kỳ họp thứ 6, Quốc hội khóa XII tháng 11 năm 20009, Quốc hội đã chính

thức thông qua việc xây dựng Thủy điện Lai châu có công suất 1200MW

Chính vì thế đề tài Nghiên cứu lựa chọn giải pháp thiết kế và xây dựng hệ

thống điều khiển, giám sát cho Nhà máy thủy điện có công suất lớn trên 1000MW

có tính khoa học và thực tế rất cao

7

Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã nhận được sự chỉ dẫn tận tình về kiến

thức và sự chia sẻ về những kinh nghiệm quý báu của thầy giáo PGS.TS Hoàng Minh Sơn Tác giả một lần nữa xin chân thành cám ơn thầy và mong mỏi nhận được

sự góp ý của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để hoàn thiện hơn

8

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Vài nét về phát triển thủy điện ở Việt Nam

Tính đến năm 1954 (sau kháng chiến chống Pháp) sản lượng điện năng Việt Nam nói chung về thuỷ điện nói riêng hầu như chưa có gì Ở miền Bắc chỉ có các Nhà máy thủy điện (NMTĐ) Tà Sa, Na Ngần, Bàn Thạch với công suất nhỏ; miền Nam có NMTĐ Đa Nhim (công suất4 x 40 = 160 MW) Năm 1971 do Liên Xô cũ giúp xây dựng đã khánh thành NMTĐ Thác Bà với công suất 3 x 36 = 108 MW Lúc này tổng công suất của các NMNĐ miền Bắc vẫn chưa vựợt quá 100 MW, nghĩa là thuỷ năng đã giữ tỉ lệ quan trọng trong hệ thống điện (HTĐ) Việt Nam từ

những ngày đầu xây dựng

Năm 1992 NMTĐ Hoà Bình đã xây dựng và lắp đặt xong đến tổ máy cuối cùng với tổng công suất lên tới 1920MW (8 x 240 MW) Vào thời điểm này tổng công suất tiêu thụ của HTĐ miền Bắc lúc cực đại chỉ vào khoảng 1100 MW, do đó đựờng dây siêu cao áp 500 KV đựợc xây dựng gấp rút để tải điện năng thừa của NMTĐ Hoà Bình vào miền Nam (nhiệt điện ở miền Bắc lúc này còn có các nhà máy Phả Lại 440 MW, Ninh Bình 100MW) Tiếp sau NMTĐ Hoà Bình, để đáp ứng nhu cầu tăng trựởng nhanh của phụ tải điện, lần lựợt nhiều NMTĐ lớn đựợc xây dựng và đựa vào vận hành như Nhà máy thủy điện Sơn La; Nhà máy thủy điện Lai Châu Có thể nhận thấy rằng HTĐ Việt Nam có một tiềm năng thuỷ điện khá lớn Tỉ

lệ thuỷ năng chiếm cao trong tổng sản lựợng điện năng toàn quốc Thuỷ điện, có thể phát triển khắp cả 3 miền Miền Bắc có thể xây dựng những NMTĐ lớn do những dòng sông lớn, độ dốc cao Miền Trung có nhiều thuỷ điện nhỏ (sông có độ dốc lớn, nhựng lựu lựợng lại bé), miền Nam có khả năng xây dựng một số NMTĐ công suất trung bình (độ dốc các dòng sông thựờng không lớn)

Quá khứ (cho đến hiện tại) thuỷ điện Việt Nam đã có một lịch sử phát triển mạnh mẽ, tiềm năng thuỷ điện Viêt Nam còn rất dồi dào, tựơng lai thuỷ điện Việt Nam sẽ còn phát triển và chiếm vị trí quan trọng trong HTĐ Việt Nam

1.2 Năng lượng của dòng nước và khả năng sử dụng

9

Một dòng chảy tự nhiên có sơ đồ mặt cắt dọc như trên hình vẽ (hình 1.1), trên

đó xét 2 mặt cắt ngang I-I và II-II (ở các vị trí bất kỳ) Tại mặt cắt I-I, gọi chiều cao mức nước là z1, vận tốc trung bình của dòng chảy là v1, áp suất trong lòng nuớc là p1 Ký hiệu tuơng tự các thông số cho mặt cắt II-II

Hình1.1: Sơ đồ tính toán tiềm năng dòng sông

Xét một khối nước W đang chuyển động tại I-I Theo lý thuyết động lực học chất lỏng, năng lượng chứa trong khối nước W này có thể tính theo công thức sau:

𝐸𝐸1 = (𝑧𝑧1+𝑝𝑝1

𝛾𝛾 +𝛼𝛼1 𝑣𝑣22𝑔𝑔 )𝛾𝛾𝛾𝛾 , kgm Trong đó:

v1, p1 - vận tốc và áp suất trung bình của dòng chảy tại mặt cắt I-I;

g = 9,81 m/sec2 - gia tốc rơi tự do bởi trọng trường

𝛼𝛼1 - hệ số hiệu chỉnh kể đến sự phân bố không đều của dòng chảy trên mặt cắt Nếu vận tốc như nhau trên toàn bộ diện tích mặt cắt thì 𝛼𝛼1 = 1 Ngược lại, cần lấy giá trị khác đi, tính theo công thức:

Trong lý thuyết thuỷ khí động học, thành phần trong ngoặc được gọi là cột áp,

có thứ nguyên là m Nó bao gồm thành phần cột áp thuỷ tĩnh (z +p/γ) và cột áp thuỷ động v2/2g Về trị số, cột áp bằng năng lượng chứa trong một đơn vị trọng lượng nước dưới dạng thế năng (tương ứng với cột áp thuỷ tĩnh) và động năng (cột áp thuỷ động) Với dòng chảy lý tưởng, không tổn hao và chỉ chịu tác dụng lực trọng trường thì cột áp tại mọi vị trí mặt cắt đều bằng nhau và năng lượng chứa trong khối nước

W sẽ không đổi khi chuyển động Đối với dòng chảy của các dòng song năng lượng luôn luôn bị tổn thất (do có một phần biến thành công bào mòn đất đá, vận chuyển phù sa ) Vì thế khi chuyển động đến mặt cắt II-II, năng lượng chứa trong khối nước W chỉ còn lại là :

∆𝐸𝐸 = 𝐸𝐸1− 𝐸𝐸2 ≈ (𝑧𝑧1− 𝑧𝑧2)𝛾𝛾𝛾𝛾 = ∆𝐻𝐻 𝛾𝛾 𝑊𝑊

Bây giờ nếu xét khối nước W có thể tích bằng tổng lượng nước của dòng sông chảy qua mặt cắt trong thời gian 1 sec (nghĩa là đúng bằng trị số lưu lượng nước Q của dòng chảy), đồng thời xét khoảng cách từ I-I đến II-II là toàn bộ chiều dài của dòng sông thì ΔE là sẽ công của cả dòng sông sinh ra trong 1 giây (hay cũng chính

là công suất của nó, ký hiệu là N), ta có thể viết lại :

11

𝑁𝑁 = (𝑧𝑧1− 𝑧𝑧2)𝛾𝛾 𝑄𝑄 = 𝐻𝐻 𝛾𝛾 𝑄𝑄, kgm/s Nếu đổi sang tính bằng kW (1kW = 102 kgm/s) thì công thức trở thành:

N = 9,81.H.Q , kW Công thức trên thường được dùng để đánh giá trữ lượng thuỷ năng của dòng sông.Trị số tính được chính là công suất tổng cộng mà dòng sông có thể sinh ra được (còn được gọi là tiềm năng của dòng sông) Dễ thấy, trị số này khác rất xa với tiềm năng thuỷ điện, bởi con người chỉ có thể tận dụng được một phần năng lượng ở những đoạn nhỏ ΔH của dòng sông

Cũng từ các công thức tính năng lượng của dòng chảy như đã nêu trên (công thức 1-1) ta còn nhận thấy rằng năng, lượng tiềm tàng trong mỗi dòng sông được phân bố trải khắp theo chiều dài dòng chảy Một đoạn ngắn bất kỳ của dòng sông đều có chứa một năng lượng, tính được theo (1-1) Tuy nhiên mật độ phân bố không đều, đoạn có độ dốc càng lớn thì mật độ năng lượng tập trung càng cao (do ΔH lớn)

Đó cũng chính là những vị trí thuận lợi để xây dựng NMTĐ

Ngoài ra, dựa theo (1-1) và (1-2) ta cũng có thể trực tiếp đưa ra công thức tính công suất cho nhà máy thuỷ điện:

Trong đó: H0 - chênh lệch mức nước ở phía trước và phía sau NMTĐ, còn gọi

là cột nước hình học của nhà máy;

Q - lưu lượng nước chảy qua NMTĐ ;

η - hiệu suất chung của NMTĐ;

Với việc xét đến hiệu suất biến đổi năng lượng η nêu trên, công suất tính theo (1-3) cho NMTĐ chính là công suất điện phát ra của các máy phát Có thể xác định gần đúng hiệu suẩt : η = ηT.ηF ;

ở đây ηT - là hiệu suất của tua bin nước kể cả đến tổn thất năng lượng đường ống; ηF - hiệu suất của máy phát;

Với ηT = (0,88 - 0,91), ηF = (0.95 - 0.98), khi thiết kế tính gần đúng có thể lấy η ≈ 0,86 Khi đó thay vào (1-3) ta có :

NTĐ ≈ 8,3.Q.H0 (kW) (1-4)

𝐻𝐻 = (𝑧𝑧1 − 𝑧𝑧2+𝑝𝑝1−𝑝𝑝𝛾𝛾 +2 𝛼𝛼1𝑣𝑣122𝑔𝑔− 𝛼𝛼2𝑣𝑣22)

còn công suất NMTĐ khi đó là:

N = 9,81.η.Q.H (kW)

sẽ phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố hơn (H không còn là hằng số)

1.3 Phân lo ại nhà máy thủy điện

Từ công thức tính công suất của NMTĐ có thể thấy rằng việc tạo ra chênh lệch mức nước H0 là điều kiện tiên quyết cho việc xây dựng NMTĐ Chính vì thế các phương án khác nhau tạo ra chênh lệch mức nước cũng đồng thời là điều kiện phân loại các nhà máy thuỷ điện

Bằng cách xây dựng các đập chắn ngang sông có thể làm cho mức nước ở trước đập dâng cao tạo ra cột nước H0 để xây dựng NMTĐ Khi đó ta có NMTĐ kiểu đập Đập càng cao thì công suất của NMTĐ có thể nhận được càng lớn Tuy nhiênchiều cao đập cần phải được lựa chọn kỹ lưỡng theo các điều kiện kinh tế - kỹ thuật và hàng loạt những yếu tố an toàn khác (liên quan đến môi trường, di dân, quốc phòng ) Mặt khác khi xây dựng đập cao nước dâng lên có thể làm ngập những khu vực quan trọng (đông dân, thị trấn cổ, hầm mỏ chưa khai thác ) Nhiều trường hợp, đây lại là yếu tố chính hạn chế chiều cao của đập Nói chung NMTĐ kiểu đập thường có thể xây dựng thuận lợi ở những nơi dòng chảy có độ dốc lớn, chảy ngang qua thung lũng của những quả đồi Trong trường hợp này, vùng ngập nước dễ hạn chế được trong khu vực thung lũng, trong khi chỉ cần xây dựng các đập ngắn nối giữa các quả đồi để chắn dòng sông

13

Hình 1.2: Sơ đồ nhà máy kiểu thân đập

Nhà máy thuỷ điện kiểu đập có các ưu điểm sau:

- Có thể tạo ra những NMTĐ công suất rất lớn, do có khả năng tận dụng được toàn bộ lưu lượng của dòng sông;

- Có hồ chứa nước, mà hồ chứa là một công cụ hết hiệu quả để điều tiết nước

và vận hành tối ưu NMTĐ, điều tiết lũ, phục vụ tưới tiêu và nhiều lợi ích khác

Các nhược điểm chính của NMTĐ kiểu đập:

- Vốn đầu tư lớn, thời gian xây dựng lâu;

- Vùng ngập nước có thể ảnh hưởng nhiều đến sinh thái môi trường (di dân, thayđổi khí hậu)

14

Nhà máy thuỷ điện kiểu đập là loại phổ biến nhất đã xây dựng trong thực tế (trên thế giới cũng như trong nước) Ở nước ta các NMTĐ kiểu đập cũng là loại chủ yếu:Hoà Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ và Sơn La

Cần nói thêm là, có thể xây dựng nối tiếp rất nhiều NMTĐ kiểu đập trên cùng một dòng sông Trong trường hợp như vậy hiệu quả điều tiết vận hành phối hợp của các NMTĐ sẽ tốt hơn khi chỉ có một NMTĐ

1.3.2 Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn

Cột nước của NMTĐ còn có thể tạo ra được bằng việc sử dụng các kênh dẫn Trường hợp chung nhất kênh bao gồm 2 phần: phần đầu được xây dựng dưới dạng các kênh dẫn hở (còn gọi là kênh dẫn không áp) Phần này có nhiệm vụ dẫn nước từ nơi mà dòng chày có mức nước cao đến nơi mà dòng chảy có mức nước thấp (vị trí xây dựng NMTĐ) nhưng giữ nguyên mức nước (kênh có độ dốc rất nhỏ) Phần cuối là các ống dẫn kín (còn được gọi là kênh dẫn có áp) Phần này có nhiệm vụ đưa nước từ trên cao xuống thấp để chạy tuabin

Do dòng chảy trong ống kín bảo toàn được cột áp thủy tĩnh nên cột nước của NMTĐ có thể được tính như từ mức nước cuối kênh dẫn hở (phía trên ống dẫn kín) đến mức nước phía sau NMTĐ Dễ thấy, cột nước của NMTĐ kiểu kênh dẫn có thể rất lớn nếu nguồn nước lấy được xuất phát từ vị trí cao Cũng cần nói thêm là sơ đồ cấu trúc của NMTĐ kiểu kênh dẫn nêu trên nhằm minh họa nguyên lý chung (trong

đó kênh gồm 2 phần) Thực tế không nhất thiết phải có phần kênh dẫn hở

Phần này chỉ được tạo ra khi có thể (với địa hình cho phép) và đem lại hiệu quả kinh tế (có vốn đầu tư nhỏ hơn ống dẫn kín) Có trường hợp phần kênh dẫn hở đuợc thay thế bằng hầm dẫn nuớc áp lực nuớc trong hầm có thể lớn hơn áp suất khí quyển (do có độ dốc), nhưng thường không lớn

15

Hình 1.3: Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn

Dễ thấy, ưu điểm nổi bật của NMTĐ kênh dẫn là vốn đầu tư nhỏ, công suất ổn định (ít phụ thuộc vào mức nước) Địa hình thích hợp cho NMTĐ kênh dẫn là vùng núi đồi, nơi có các dòng sông (suối) dốc chảy từ trên cao xuống Cũng có khi là nơi

có 2 con sông chảy cạnh nhau với mức nước chênh lệch lớn Trong trường hợp này kênh được xây dựng dẫn nước từ dòng sông có mức nước cao sang dòng sông có mức nước thấp Nhà máy được xây dựng gần bờ sông có mức nước thấp và xả nước vào dòng sông này

Nhược điểm chính của NMTĐ kiểu kênh dẫn là không có hồ chứa nước, do đó không có khả năng điều tiết nước và điều chỉnh công suất Khắc phục nhược điểm này trong nhiều trường hợp, với địa hình cho phép, người ta xây dựng các hồ nhân tạo ở các vị trí cao (cuối của các kênh dẫn hở) Tuy nhiên khi đó vốn đầu tư tổng cộng của công trình lại tăng lên

Một ví dụ điển hình cho NMTĐ kênh dẫn ở Việt Nam là thủy điện Đa Nhim Nhà máy này được xây dựng từ những năm 60 (của thế kỷ trước) Kênh gồm 2 ống

16

kín dài gần 3 km dẫn nước từ thung lũng trên đỉnh cao nguyên Đà Lạt (hồ Đa Nhim) xuống vùng đất thấp tạo ra cột nước tới 1020 m Nhờ cột nước rất lớn nên chỉ với lưu lượng nhỏ công suất nhà máy đã rất đáng kể

Hình 1.4: Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn có hầm chứa

1.3.3 Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp và nguyên tắc chung nâng cao công suất nhà máy thủy điện

Với những địa hình thích hợp, bằng việc kết hợp xây dựng dập với kênh dẫn,

có thể tạo ra NMTĐ có công suất lớn, vốn đầu tư lại nhỏ Sơ đồ điển hình của NMTĐ kiểu hỗn hợp như trên hình (1.4) Hồ xây dựng được ở vị trí cao trong khi

có vị trí thấp hơn để bố trí nhà máy (nơi đặt tua-bin nước và máy phát) Tận dụng chênh lệch độ cao phía dưới đập có thể nâng công suất nhà máy lên đáng kể trong khi chỉ cần đầu tư thêm dàn ống dẫn nước từ trên cao xuống thấp ống dẫn kín bảo toàn cột áp nên cột nước vẫn được tính từ mặt thoáng của hồ (trên cao) đến mức

17

nước hạ lưu phía sau nhà máy Ngoài ưu điểm về kinh tế, nhà máy còn tổ hợp được các ưu điểm của NMTĐ kiểu đập và kiểu kênh dẫn như: có cột nước cao, công suất

ổn định, có khả năng điều tiết nhờ hồ chứa

Hình 1.5: Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp

Nhà máy thủy điện Yaly và nhà máy thủy điện Huội Quảng (chưa xây dựng)

là những ví dụ rất điển hình của NMTĐ kiểu hỗn hợp ở Việt Nam Hồ chứa nước của NMTĐ Yaly có độ cao 515 m (so với mức nước biển) Người ta xây dựng một đường hầm dẫn nước từ hồ xuống vị trí thấp (305 m) dài tới hơn 4km để cung cấp nước cho nhà máy (nơi lắp đặt các tua-bin và máy phát) Đập và hồ tạo ra cột nước không lớn (15m) nhưng có ý nghĩa tập trung lưu lượng nước Hầm kín tích lũy cột nước rất lớn (thêm gần 200m), nhờ thế công suất của NMTĐ được nâng lên rất cao (720 MW)

Từ cấu trúc của các NMTĐ đã nêu (gặp phổ biến nhất trong thực tế) dễ thấy được nguyên tắc chung nâng cao công suất cho các NMTĐ: đó là các biện pháp tập trung lưu lượng và tập trung độ dốc (cột nước) Hồ chứa cho phép tập trung lưu lượng (có thể của nhiều dòng chảy) còn đập và kênh dẫn tập trung cột nước Thực chất là tập trung các lượng nước về vị trí cao so với nơi có thể xây dựng nhà máy (càng thấp càng tốt)

18

Trong phương án NMTĐ kiểu đập (hình 1.1) năng lượng lúc đầu của khúc sông từ I-I đến II-II phân bố gần như đồng đều theo chiều dài (độ dốc lòng sông gần như nhau) Nhờ có đập dâng nước lên cao, độ dốc dòng chảy trước đập giảm nhiều (chỉ còn lại bằng ΔH), động năng dòng chảy cũng giảm nhiều do tiết diện hồ mở rộng (biến thành thế năng) Khi vận tốc nước chảy trong hồ đủ nhỏ thì ΔH cũng nhỏ, khi đó gần như toàn bộ độ dốc của dòng chảy tập trung về phần cuối (từ trước đập cho đến mặt cắt II-II), nói khác đi, năng lượng dòng chảy được tập trung đến phía trước đập Với phương án sử dụng kênh dẫn, độ dốc của kênh làm thay đổi mật

độ phân bố năng lượng của dòng chảy Phần đầu của kênh có độ dốc rất nhỏ để năng lượng tập trung vào cuối

Cũng cần nói thêm là, do ống kín bảo toàn được cột áp nên chỉ cần tập trung năng lượng dòng chảy đến trước các ống dẫn kín, toàn bộ năng lượng sẽ được nhận

ở đầu ra Lợi dụng đặc điểm này người ta có thể chọn các vị trí thuận lợi để tập trung năng lượng, ví dụ các hồ chứa, bể chứa nước trên cao Để tập trung lưu lượng,

có thể sử dụng các đập thấp để chặn và đổi hướng dòng chảy, cũng có thể dùng bơm

Hình (1.6) minh họa phương án tập trung cột nước bằng bơm Thực chất phương án này là tập trung lưu lượng nước có cột nước H1 vào vị trí có cột nước H2 so với nhà máy Bơm cần sử dụng năng lượng điện để nâng cao cột nước trước khi tập trung vào hồ chứa, nhưng bù lại có thể tận dụng được nguồn năng lượng của các dòng chảy nằm trên địa hình không thuận lợi dẫn nước đến nhà máy

Như vậy qua mục 1.2 và mục 1.3 ta thấy rằng đối với nhà máy thủy điện có công suất lớn trên 1000MW nên lựa chọn phương án thiết kế nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp

19

Hình 1.6 Tập trung nước bằng bơm

1.4 Các công trình và thiết bị chính của Nhà máy thủy điện

Tuy có các phương án khác nhau xây dựng NMTĐ, nhưng nói chung trong mỗi công trình thủy điện đều có các thành phần chính sau:

1) Công trình cột nước (đập, kênh dẫn, kênh xả hạ lưu);

2) Công trình điều tiết nước (hồ chứa, bể điều tiết, cống );

3) Thiết bị công nghệ (tua-bin thủy lực, máy phát, điều tốc, kích từ);

4) Thiết bị phân phối điện (máy biến áp, máy cắt điện, dao cách ly, thanh dẫn, thanh góp );

5) Các công trình phụ (ống dẫn nước vao tuabin, thiết bị chắn rác, công trình

xả lũ, đập tràn, công trình xả, )

Căn cứ vao địa hình cụ thể, cần phải nghiên cứu những cách bố trí hợp lý cho các công trình trên Điều kiện tự nhiên thường muôn hình muôn vẻ, cách bố trí khác nhau còn tùy thuộc nhiều vao chiều cao cột nước cũng như kết cấu của đập (đập đất, đập bê tông, đập đá đổ )

20

Chương 2: CÁC YÊU CẦU, TIÊU CHUẨN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG

2.1 Các yêu c ầu, tiêu chuẩn đối với hệ thống điều khiển giám sát NMTĐ có công su ất lớn trên 1000MW

2.1.1 Các yêu c ầu, tiêu chuẩn chung đối với hệ thống điều khiển giám sát NMTĐ

Trong một nhà máy thủy điện, hệ thống điều khiển giám sát có vai trò rất quan

trọng Vì vậy đối với một hệ thống điều khiển giám sát có các các yêu cầu, tiêu chuẩn chung như sau:

- Vị trí vận hành chính xác của tất cả các thiết bị phải được kiểm tra xác nhận trước khi người vận hành tiến hành một trình tự Các thiết bị giám sát phải liên tục kiểm tra các điều kiện thực tế và so sánh với các điều kiện thiết kế của thiết bị

- Sự hỏng hóc của một thiết bị nào đó hoặc mất nguồn cung cấp tới thiết bị đó phải được giám sát để đưa ra cảnh báo Điều quan trọng là phải thiết kế các thiết bị với độ tin cậy cao sao cho sự cố đối với thiết bị hoặc nguồn cung cấp cho thiết bị không gây ảnh hưởng tới sự hoạt động của các thiết bị khác

- Các thiết bị điều khiển phải được thiết kế với độ tin cậy cao, tất cả các trình tự điều khiển phải diễn ra một cách trôi trảy với thời gian trễ nhỏ nhất và các điều kiện bất thường phải được phát hiện nhanh chóng và khắc phục, một trình tự điều khiển phải được chấm dứt nếu không tiến triển được do khóa liên động điều khiển hoặc khóa liên động an toàn và trình tự dừng tự động thiết bị sẽ bắt đầu các phương tiên chỉ báo và thí nghiêm phải được cung cấp đầy đủ để phát hiện kịp thời vị trí và khắc phụ sự cố

- Hệ thống điều khiển có bộ vi xử lý phải có các chương trình được lưu trong bộ nhớ phù hợp, ổn định và có thể lập lại chương trình như EPROM

- Hệ thống phải được trang bị tất cả các phương tiện cần thiết cho việc bảo dưỡng, vận hành và xử lý sự cố mà các kỹ thuật viên có kiến thức chung về điện tử

có thể thực hiện được

21

- Các modul có chức năng tương tự nhau phải có khả năng lắp lẫn phù hợp, các

bộ phận, chi tiết điện tử trong các module phải là loại có chất lượng cao nhất với tuổi thọ phục vụ ít nhất là 20 năm đặc biệt là các tụ điện

- Các module dự phòng cho tất cả các bộ phận của hệ thống điều khiển phải có đầy đủ để người vận hành có thể tự tiến hàng công việc bảo dưỡng và sửa chữa mà không cần sự giúp đỡ từ bên ngoài

2.1.2 Các yêu c ầu, tiêu chuẩn riêng cho NMTĐ có công suất lớn

Do mức độ quan trọng của nhà máy thủy điện có công suất lớn trên 1000MW đối với lưới điện và các yếu tố về an ninh quốc gia, nên hệ thống điều khiển giám sát phải đáp ứng được các yêu cầu, tiêu chuẩn sau:

- Nhà máy thủy điện phải được cung cấp một hệ thống điều khiển giám sát điện

tử kỹ thuật số hiện đại, phù hợp với các tiêu chuẩn được phê duyệt nhằm vận hành

an toàn, tối ưu các hệ thống thiết bị công nghệ sau:

+ Tuốc bin- máy phát điện và hệ thống thiết bị phụ tổ máy;

+ Hệ thống phân phối điện cấp điện áp máy phát;

+ Các máy biến áp tăng và các máy biến áp tự dùng;

+ Thiết bị Trạm phân phối;

+ Hệ thống điện tự dùng xoay chiều và một chiều;

+ Thiết bị đập tràn và cửa nhận nước;

+ Các hệ thống thiết bị phụ khác của nhà máy;

- Các mục tiêu chính của hệ thống điều khiển giám sát phải đạt được như sau: + Vận hành đơn giản, an toàn, tin cậy, linh hoạt và ổn định;

+ Giao diện thân thiện với người vận hành;

+ Điều khiển tự động hoặc từ xa dễ dàng;

+ Bảo vệ trang thiết bị của nhà máy tránh các điều kiện vận hành bất thường và nguy hiểm ngoài ý muốn;

+ Thiết kế mở dựa trên các tiêu chuẩn thông dụng và không độc quyền trên thế giới;

+ Cho phép mở rộng và nâng cấp dễ dàng cả phần cứng lẫn phần mềm;

22

+ Hỗ trợ các kiểu và phương thức giao tiếp với các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau;

+ Quản lý an toàn dữ liệu và thông tin;

+ Đảm bảo tính sẵn sàng cao và giảm thấp nhất các yêu cầu bảo dưỡng; + Phát hiện sự cố nhanh chóng, chính xác và giúp người vận hành nhanh chóng khắc phục sự cố;

+ Có cấu trúc modun hóa với số lượng ít nhất các modun khác nhau;

Ngoài việc tuân theo các tiêu chuẩn chung, hệ thống điều khiển và giám sát phải phù hợp với các phiên bản mới nhất của các tiêu chuẩn của IEC, ANSI, IEEE, ISA NEMA PB1-197, ISA RP60

Các chức năng của hệ thống điều khiển giám sát có cống suất lớn trên 1000MW về cấp điều khiển phải đáp ứng được các chức năng sau:

+ Có khả năng điều khiển tại các trung tâm điều độ quốc gia và điều độ miền và truyền được các dữ liệu sau:

 Truyền các lệnh/các tín hiệu trạng thái (Máy cắt đầu cực (đóng/ mở), Máy cắt 500kv (đóng/ mở), Dao cách ly (đóng/ mở), Dao tiếp đất (đóng/ mở)

 Các tín hiệu đo lường: Điện áp trên các thanh cái 500kV và các ngăn lộ đường dây (kV); Tần số tại các thanh cái (Hz); Công suất hữu công và vô công của các máy biến áp (MW/MVar); Công suất hữu công và vô công của các máy phát (MW/MVar); Công suất hữu công và vô công của các đường dây (MW/MVar); Dòng điện các phía của các máy biến áp tăng

 Các dữ liệu đo đếm: Giá trị điện năng lũy kế hữu công và vô công của

từng tổ máy và toàn nhà máy (kWh/kVArh); Giá trị điện năng lũy kế hữu công và

vô công truyền tải trên các đường dây (kWh/kVArh)

+ Có khả năng điều khiển từ phòng ĐKTT với ít nhất các yêu cầu về chức năng như sau:

 Tại phòng ĐKTT nhà máy có đặt các trạm vận hành (OWS) cùng thiết bị ngoại vi, màn Video nhà máy và bảng Mimic chính của nhà máy Bảng điều khiển

23

chính biểu hiện vị trí các cửa van công trình đập tràn và cửa nhận nước, các sơ đồ Mimic, sơ đồ nối điện chính, tự dùng xoay chiều và 1 chiều NMTĐ

 Trên bảng có bố trí các bộ phận hiển thị trạng thái thiết bị, các đồng hồ

chỉ báo và các nút ấn đóng sự cố các cửa van cửa nhận nước, mở các cửa van đập tràn, khởi động dập cháy các máy phát và máy biến áp Toàn bộ thiết bị, trừ các nút

ấn báo sự cố được đấu với thiết bị vào/ra (I/O) được lắp trong bảng Các thiết bị I/O được nối qua giao diện trình tự với máy tính nhà máy Các nút ấn sự cố được nối

bằng cáp với các tủ điều khiển thiết bị tại chỗ Từ các trạm vận hành thực hiện điều khiển các tổ máy, các cửa van của các công trình xả, thiết bị phụ của NMTĐ, các máy cắt và dao cách ly của Trạm phân phối ở các cấp điện áp Đối với toàn bộ thiết

bị có dẫn động điện có tính đến việc thu thập và thể hiện các thông tin trên các màn hình của các trạm vận hành dưới dạng hình ảnh các sơ đồ Mimic cùng các phần tử tĩnh và động

 Thông tin tương ứng được biểu hiện trên các khuôn hình bằng số, dạng

biểu đồ và được in ra từ các máy in Trên cơ sở các dữ liệu được lưu trữ lập ra các báo cáo tĩnh, biểu đồ các giá trị tương ứng, các tính toán phân tích để điều khiển thiết bị hiệu quả tối đa Để thông báo cho kíp trực vận hành khi xuất hiện các tình

huống ngoài dự kiến có bố trí thiết bị báo tín hiệu âm thanh với các mức âm lượng khác nhau, còn có bảng báo tín hiệu tổng hợp không kết nối với hệ thống DACS nhà máy

 Cấp điều khiển chính của NMTĐ được thực hiện từ các trạm vận hành

tại phòng ĐKTT NMTĐ Việc chuyển sang điều khiển từ xa được thực hiện bằng khoá chọn điện tử “NMTĐ”/ “điều độ quốc gia”/“điều độ miền” từ trạm vận hành

Từ các trạm vận hành thực hiện:

• Tự động khởi động tổ máy ở chế độ đã định bao gồm cả việc chuyển tổ máy

từ chế độ máy phát sang chế độ chạy bù đồng bộ và ngược lại;

• Dừng bình thường và dừng sự cố tổ máy;

• Điều khiển các chế độ điều chỉnh điện áp theo nhóm và công suất hữu công;

• Tăng / Giảm công suất hữu công và vô công của các tổ máy;

24

• Điều khiển phân bố;

• Điều khiển các máy cắt và các dao cách ly;

• Điều khiển các máy cắt máy phát, các máy cắt thiết bị phân phối hợp bộ 6,3kV và các máy cắt đầu vào và phân đoạn 0,4kV của hệ thống tự dùng 400/230V-

AC và 220V-DC của nhà máy;

• Khởi động các máy phát điezen;

• Đóng/mở các cửa van sửa chữa sự cố cửa nhận nước;

• Điều chỉnh và điều khiển các cửa van đập tràn;

• Điều khiển các máy bơm tháo cạn và van xả sự cố trong chế độ sự cố;

• Điều khiển các hệ thống thông gió;

• Điều khiển các máy bơm của trạm bơm, các nguồn nước thải lẫn dầu, hệ

thống bơm tháo cạn, hệ thống thông gió, các hệ thống phụ khác;

• Thay đổi các giá trị đặt và điều chỉnh các bộ phận của hệ thống điều điều tốc

và hệ thống kích từ;

• Cập nhật liên tục các thông số được hiển thị;

• Chức năng khóa và bảo vệ an toàn;

+ Có khả năng điều khiển nhóm với ít nhất các yêu cầu về chức năng như sau:

 Chuyển sang cấp điều khiển nhóm được thực hiện bằng cách chuyển khoá chế độ sang vị trí “tự động tại chỗ” Khi đó điều khiển nhóm thiết bị được thực

hiện từ màn hình cảm biến tại chỗ bố trí trong mỗi tủ của bộ điều khiển nhóm Ngoài ra các tủ có các bộ phận cần thiết báo tín hiệu ánh sáng và âm thanh tại chỗ, các bộ biến đổi đo và các thiết bị cần thiết khác

 Các tủ điều khiển nhóm được cung cấp cho mỗi nhóm thiết bị, như các tổ máy, thiết bị Trạm phân phối, hệ thống tự dung một chiều và xoay chiều, tự dung Nhà máy, thiết bị đập tràn và cửa nhận nước…Cấp điều khiển nhóm này hoàn toàn

có khả năng vận hành song song với cấp điều khiển Nhà máy đã được đề cập ở trên

 Các thiết bị chính được lắp trong mỗi tủ điều khiển nhóm được trang bị

để đảm bảo cung cấp đầy đủ các chức năng điều khiển và giám sát

25

 Các tủ điều khiển tổ máy được bố trí trong gian máy tại cao trình thích

hợp, tủ điều khiển tổ máy được trang bộ điều khiển, giao diện HMI và các thiết bị thích hợp để điều khiển giám sát cần thiết để đảm bảo các chức năng:

- Khởi động và dừng máy bằng tay, từng bước, tự động;

- Chọn lựa các chế độ vận hành: đứng im, sẵn sàng, quay, phát điện, bù đồng

bộ và chế độ nạp đường dây;

- Điều khiển tốc độ và phụ tải thông qua bộ điều tốc;

- Tự động điều chỉnh điện áp;

- Đo và lưu tất cả đặc tính vận hành của tuabin và máy phát;

- Cảnh báo các sự cố bằng âm thanh, đèn báo;

 Điều khiển tự động tại chỗ cho các ngăn máy cắt được thực hiện bằng các tủ điều khiển tại chỗ ICB được cung cấp đồng bộ với các thiết bị phân phối Các

tủ điều khiển tại chỗ phải được đặt trước các ngăn máy cắt Các trạm vào ra sẽ được đặt tại các vị trí khác nhau trong phòng phân phối và phải thu thập các tín hiệu từ các thiết bị và chuyển thành các gói dữ liệu để gửi tới tủ điều khiển nhóm của Trạm phân phối.Tủ điều khiển nhóm của Trạm phân phối được trang bị 01 bộ điểu khiển, giao diện HMI và các thiết bị thích hợp để điều khiển giám sát Đối tượng điều khiển tại trạm bao gồm các máy cắt và các dao cách ly, dao nối đá vận hành bằng các động cơ

 Điều khiển và giám sát hệ thống cấp điện tự dung:

Các chức năng của hệ thống này: Hiển thị các giá trị đo lường dòng và áp và điều khiển và chỉ thị vị trí các máy cắt tự dùng;

 Cấp điều khiển nhóm thiết bị tự dùng xoay chiều 6,3kV, 0,4kV, một chiều 220V nhà máy và Diegen

Tủ điều khiển nhóm cho các thiết bị này được đặt tại cao trình thích hợp bao

gồm 01 bộ điều khiển chung cho cả MV/LV và diegen, bộ điều khiển cho phòng Diegen, điều khiển cho hệ thống MV/LV giao diện HMI và các thiết bị thích hợp

để điều khiển giám sát

Bộ điều khiển nhóm phải thực hiện các chức năng sau:

26

- Vào/ra các tín hiệu số và tương tự từ thiết bị 6,3kV, 0,4kV và 220V một chiều;

- Hiện trên màn hình cảm ứng các giá trị dòng và điện áp cần đo, hiển thị các

vị trí máy cắt và trạng thái thiết bị;

- Điều khiển máy cắt 6,3kV các máy cắt đầu vào, phân đoạn 0,4kV và ATS;

- Điều khiển các máy cắt hệ thống một chiều;

- Chọn các phụ tải tương ứng;

- Kiểm tra cách điện thiết bị;

- Truyền dữ liệu về cấp điều khiển nhà máy;

- Điều khiển bằng màn hình thiết bị đã nêu;

 Cấp điều khiển nhóm thiết bị phụ nhà máy

Tủ điều khiển nhóm cho các thiết bị này được đặt tại cao trình thích hợp bao

gồm bộ điều khiển, giao diện HMI và các thiết bị thích hợp để điều khiển giám sát

Bộ điều khiển này được dùng để kiểm tra, điều khiển và báo tín hiệu những thiết bị sau:

- Trạm bơm tháo cạn phần chảy tuốc bin;

- Thiết bị hệ thống khí nén;

- Thiết bị các hệ thống thoát nước;

- Thiết bị thông gió và các thiết bị điều hoà khác;

- Trạm bơm chữa cháy và các bộ phận khoá/khởi động;

- Các trạm bơm nước thải lẫn dầu;

- Hệ thống cấp nước uống-sinh hoạt;

- Hệ thống tiêu nước, v.v…;

 Cấp điều khiển nhóm thiết bị đập tràn và cửa nhận nước

Tủ điều khiển nhóm cho đập tràn và cửa nhận nước được đặt tại cao trình thích

hợp được trang bị bộ điều khiển, giao diện HMI và các thiết bị thích hợp để điều khiển giám sát các cửa van cung đập tràn, cửa van sự cố cửa nhận nước và các thiết

bị phụ của chúng, đo lường mực nước hồ chứa, tổn thất cột nước, hệ thống cung cấp điện tự dung tại chỗ…

27

Các chức năng chính bao gồm:

- Giám sát vị trí các cửa van cung tại đập tràn và cửa vận hành cửa lấy nước ( bao gồm các vị trí trung gian và vị trí nạp nước của cửa vận hành);

- Chỉ thị các cửa van đang vận hành;

- Vị trí nạp nước của các van cửa nhận nước;

- Giám sát các vị trí của các cơ cấu khóa/ chốt;

- Đưa ra các tín hiệu báo động;

Các tín hiệu từ cấp điều khiển Nhà máy bao gồm:

- Đặt giá trị độ mở các cửa van cung đập tràn;

- Lệnh đóng mở các cửa van cửa lấy nước;

Như vậy đối với hệ thống điều khiển giám sát cho Nhà máy thủy điện có công

suất lớn có rất nhiều tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra cần thực hiện, cụ thể như sau:

Logic Input

Tín hiệu Analog Input

Tín hiệu Logic Oput

Tín hiệu Analog Oput

2.2 Phương án cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra tập trung

Cấu trúc hệ điều khiển tập trung với vào ra tập trung được thiết kế như trên Hình 2.1 với các đặc điểm sau:

- Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật Máy tính điều khiển ở đây (MTĐK) có thể là các bộ điều khiển số trực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình

- Máy tính điều khiển tập trung được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách

xa hiện trường

Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra tập trung

Đánh giá: Với cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau:

 Do số lượng tín hiệu đầu vào (Input) và đầu ra (Ouput) rất lớn như thể

hiện ở bảng 2.1 nên công việc nối dây phức tạp, giá thành cao;

29

 Do số lượng dây cáp lớn và khoảng cách truyền rất xa (khoảng cách

xa nhất giữa thiết bị và bộ điều khiển lên đến 5km) nên việc truyền tín hiệu sẽ bị nhiễu, gây ảnh hưởng không tốt đến quá trình điều khiển, vận hành

 Do chỉ có duy nhất một bộ điều khiển, nên đòi hỏi năng lực tính toán,

thực hiện của bộ điều khiển là rất cao;

 Khả năng quan sát, vận hành nhiều thiết bị cùng lúc là rất khó khăn

 Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn;

 Độ tin cậy kém thể hiện qua khả năng làm việc không gây ra lỗi;

 Không thực hiện được đầy đủ các cấp điều khiển như yêu cầu, chỉ có

một cấp điều khiển duy nhất là tại phòng điều khiển trung tâm vì thế rất khó để quản lý an toàn dữ liệu và thông tin;

 Không đảm bảo tính sẵn sàng cao và không thể giảm thấp nhất các yêu cầu bảo dưỡng;

 Phát hiện sự cố khó khăn Sự hỏng hóc của một thiết bị nào đó hoặc mất nguồn cung cấp tới thiết bị đó rất khó được giám sát để đưa ra cảnh báo Điều quan trọng không thiết kế được các thiết bị với độ tin cậy cao sao cho sự cố đối với thiết bị hoặc nguồn cung cấp cho thiết bị này không gây ảnh hưởng tới sự hoạt động của các thiết bị khác

2.3 Phương án cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra phân tán

Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm thể hiện một nhược điểm cơ bản là số lượng lớn các cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn và công thiết kế, lắp đặt Một hạn chế khác nữa là phương pháp truyền dẫn tín hiệu thông thường giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu, gây ra sai số lớn

Hình 2-2 là phương án thiết kế cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào

ra phân tán Ở đây các module vào/ra được đẩy xuống cấp trường gần kề với các thiết bị của tổ máy, Trạm phân phối…

30

Trong cầu trúc này ta cũng sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh có khả năng nối mạng trực tiếp không cần thông qua các module vào/ra Bên cạnh khả năng xử lý giao thức truyền thông, các thiết bị này còn đảm nhiệm một số chức năng xử lý tại chỗ như lọc nhiễu, chỉnh định thang đo, tự đặt chế độ, điểm làm việc, chẩn đoán trạng thái,v.v Trong nhiều trường hợp, các thiết bị có thể đảm nhiệm cả nhiệm vụ điều khiển đơn giản

Kết nối giữa các thiết bị của tổ máy, Trạm phân phối , và các I/O được sử dụng giao thức Profibus hoặc Modbus

Để đảm bảo quá trình truyền thông giữa các I/O và bộ điều khiển ta sử dụng vòng mạng cáp quang kép

Đánh giá:

Do việc sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ra phân tán đã mang lại các ưu điểm hơn hẳn so với phương án thiết kế cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung vào

ra tập trung thể hiện qua các điểm sau đây

• Tiết kiệm dây dẫn, công đi dây và nối dây

• Giảm kích thước hộp điều khiển

• Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn và khả năng ghép nối đơn giản

• Khả năng chẩn đoán tốt hơn (các thiết bị hỏng được phát hiện dễ dàng)

• Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống

Tuy nhiên nếu dùng cấu trúc này với hệ thống điều khiển giám sát cho Nhà máy thủy điện có công suất lớn trên 1000MW lại bộc lộ các nhược điểm sau:

- Do cả hệ thống chỉ có duy nhất một bộ điều khiển nên đòi hỏi bộ điều khiển phải có khả năng xử lý nhanh

- Bộ điều khiển không có tính dự phòng

- Chưa thực hiện được cấp điều khiển tại phòng điều khiển trung tâm hoặc điều khiển từ xa một cách linh hoạt như yêu cầu

- Khả năng theo dõi giám sát nhiều thiết bị cùng lúc bị hạn chế

31

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung vào ra phân tán

2.4 Phương án thiết kế với cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán với vào ra

t ập trung

Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống, ta có thể điều khiển mỗi cụm thiết bị bằng một hoặc một số máy tính cục bộ, như Hình 2-3

Trong phương án thiết kế này, các bộ điều khiển được sử dụng như sau:

- mỗi tổ máy sử dụng 01 bộ điều khiển độc lập

- 01 bộ điều khiển chung cho Trạm phân phối

- 01 bộ điều khiển chung cho thiết bị tại đập tràn và cửa nhận nước

- 01 bộ điều khiển cho toàn bộ các thiết bị phụ trợ và hệ thống điện tự dùng Các máy tính điều khiển cục bộ được đặt rải rác tại các phòng điều khiển nhóm (phòng điện) của từng khu đặt thiết bị Các cụm thiết bị có liên hệ tương tác với nhau, vì vậy để điều khiển chung cho nhà máy ta cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển Các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống

32

Phòng điều khiển trung tâm

Bus hệ thống

Phòng điều khiển cục bộ

Hình 2.3 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán vào ra tập trung

Đánh giá:

- Rõ ràng là phương án thiết kế này đã khắc phục được rất nhiều nhược điểm so

với phương án trước nhưng vẫn bộc nhược điểm là tính sẵn sàng và độ tin cậy của

hệ thống chưa cao Khi có một sự cố nào đó làm cho một tổ máy không khởi động được thì khả năng không vận hành được các tổ máy tiếp theo là rất cao

2.5 Phương án thiết kế với cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán với vào ra phân tán

Với phương án nêu tại mục 2.4 chỉ đơn giản là nối điểm-điểm giữa một máy tính điều khiển với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, sử dụng vào/ra tập trung với rất nhiều nhược điểm Vì vậy, ta sẽ sử dụng bus trường để thực hiện cấu trúc vào/ra phân tán như trên Hình 2-4 Khi đó, máy tính điều khiển sẽ được đặt tại phòng điều khiển trung tâm và tại cả các phòng điều khiển cục bộ

S A

Controller

A S

Controller

S A

Controller

A S

Controller

S A

Controller

A S

Controller

S A

Controller

A S

Controller

S A

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển phân tán với vào ra phân tán

Với cấu trúc này ta dễ dàng chia các nhóm thiết bị chính với các tủ điều khiển nhóm như sau:

Các t ủ điều khiển tổ máy LCU: Các tủ điều khiển tổ máy được bố trí trong

gian máy tại cao trình ngang với sàn của tổ máy, tủ điều khiển tổ máy được trang bị

01 bộ điều khiển đa chức năng (ví dụ như MFC3000 Controller của hàng Alstom)

và 04 Field Controller cùng giao diện HMI và các thiết bị thích hợp để điều khiển giám sát cần thiết để thực hiện các chức năng:

- Khởi động và dừng máy bằng tay, từng bước, tự động;

- Chọn lựa các chế độ vận hành: đứng im, sẵn sàng, quay, phát điện, bù đồng

bộ và chế độ nạp đường dây;

- Điều khiển tốc độ và phụ tải thông qua bộ điều tốc;

34

- Tự động điều chỉnh điện áp;

- Đo và lưu tất cả đặc tính vận hành của tuabin và máy phát;

- Cảnh báo các sự cố bằng âm thanh, đèn báo

Điều khiển thiết bị cho Trạm phân phối:

- Điều khiển tự động tại chỗ cho các ngăn máy cắt được thực hiện bằng các tủ điều khiển tại chỗ ICB được cung cấp đồng bộ với các thiết bị tại Trạm phân phối Các tủ điều khiển tại chỗ phải được đặt trước các ngăn máy cắt Các trạm vào ra sẽ được đặt tại các vị trí khác nhau trong phòng Trạm phân phối và phải thu thập các tín hiệu từ các thiết bị và chuyển thành các gói dữ liệu để gửi tới tủ điều khiển nhóm

của trạm Trạm phân phối

- Tủ điều khiển nhím của Trạm phân phối LCU được trang bị 01 bộ điểu khiển MFC 3000, 01 IHR Controller và 03 Filed Controller, giao diện HMI và các thiết bị thích hợp để điều khiển giám sát

- Đối tượng điều khiển tại trạm bao gồm các máy cắt và các dao cách ly, dao

bị thích hợp để điều khiển giám sát Bộ điều khiển nhóm phải thực hiện các chức năng sau:

- Vào/ra các tín hiệu số và tương tự từ thiết bị 6,3kV, 0,4kV và 220V một chiều

- Hiện trên màn hình cảm ứng các giá trị dòng và điện áp cần đo, hiển thị các

vị trí máy cắt và trạng thái thiết bị;

- Điều khiển máy cắt 6,3kV các máy cắt đầu vào, phân đoạn 0,4kV và ATS;

- Điều khiển các máy cắt hệ thống một chiều

- Chọn các phụ tải tương ứng;

- Kiểm tra cách điện thiết bị;

- Truyền dữ liệu về cấp điều khiển nhà máy;

N hóm thiết bị phụ nhà máy:

Tủ điều khiển nhóm cho các thiết bị này được đặt tại cao trình chứa các thiết

bị phụ bao gồm 01 bộ điều khiển MFC3000, 02 bộ Filed Controller, 01 bộ IHR Controller, giao diện HMI và các thiết bị thích hợp để điều khiển giám sát

- Thiết bị các hệ thống thoát nước;

- Thiết bị thông gió và các thiết bị điều hoà khác;

- Trạm bơm chữa cháy và các bộ phận khoá/khởi động;

- Các trạm bơm nước thải lẫn dầu;

- Hệ thống cấp nước uống-sinh hoạt;

- Hệ thống tiêu nước, v.v…

N hóm thiết bị đập tràn và cửa nhận nước:

Tủ điều khiển nhóm cho đập tràn (đặt tại cao trình ngang đập tràn) và cửa

nhận nước được đặt tại cao trình ngang cửa nhận nước được trang bị bộ điều khiển

loại MFC 3000, điều khiển cho đập tràn sử dụng 02 bộ Filed Controller và 02 bộ Filed controller cho cửa nhận nước, giao diện HMI và các thiết bị thích hợp để điều khiển giám sát các cửa van cung đập tràn, cửa van sự cố cửa nhận nước và các thiết

bị phụ của chúng, đo lường mực nước hồ chứa, tổn thất cột nước, hệ thống cung cấp điện tự dung tại chỗ…Các chức năng chính bao gồm:

- Điều khiển và giám sát thiết bị chính;

- Giám sát vị trí các cửa van cung tại đập tràn và cửa vận hành cửa lấy nước (bao gồm các vị trí trung gian và vị trí nạp nước của cửa vận hành);

- Chỉ thị các cửa van đang vận hành;

- Vị tri nạp nước của các van cửa nhận nước;

- Giám sát các vị trí của các cơ cấu khóa/ chốt;

- Đưa ra các tín hiệu báo động;

- Đặt giá trị độ mở các cửa van cung đập tràn;

- Lệnh đóng mở các cửa van cửa lấy nước;

- Điều khiển và giám sát hệ thống cấp điện tự dùng;

- Hệ thống cung cấp điện tự dung cho đập tràn và cửa lấy nước phải được điều khiển và giám sát bằng tủ điều khiển tại nhóm tại chỗ bao gồm các chức năng: Hiển

thị các giá trị đo lường dòng và áp; điều khiển và chỉ thị vị trí các máy cắt tự dùng;

chọn lựa phụ tải ưu tiên và tự đóng đóng nguồn dự phòng

Các chức năng này được thể hiện qua sơ đồ cấu trúc như sau:

36

37

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán gồm đủ các cấp điều khiển

Với cấu trúc điều khiển phân tán vào ra phân tán ta có bảng các thiết bị cho cấp điều khiển nhóm như sau:

39