Công tác quản lý kỹ thuật là một trong nhiều khâu trong hoạt động sản xuất kinh doanh (SXKD) của KHPC. Việc quản lý khối lượng lớn đường dây trung áp trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa là công tác khó khăn nhất và tiêu tốn nhiều nhân lực.
Trang 1NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM THÀNH CÔNG “THIẾT BỊ CHỈ THỊ VÀ CẢNH BÁO SỰ CỐ
TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP”
Nguyễn Thanh Lâm
Công ty cổ phần Điện lực Khánh Hòa (KHPC)
Tóm tắt: Công tác quản lý kỹ thuật là một trong nhiều khâu trong hoạt động sản xuất
kinh doanh (SXKD) của KHPC Việc quản lý khối lượng lớn đường dây trung áp trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa là công tác khó khăn nhất và tiêu tốn nhiều nhân lực Từ trước đến nay, khi có sự cố xảy ra trên lưới trung thế, khâu phát hiện điểm xảy ra sự cố trên lưới đều phải thực hiện bằng thủ công, nghĩa là tập hợp rất nhiều nhân lực đến hiện trường tìm và cách ly điểm sự cố ra khỏi hệ thống nhanh nhất nhằm rút ngắn thời gian cắt điện của các hộ tiêu thụ
Từ năm 2008, KHPC đã ứng dụng thiết bị chỉ thị sự cố kiểu Flite 11xSA của hãng Schneider để lắp đặt phục vụ cho hoạt động tìm điểm sự cố trên lưới trung thế Tuy nhiên, qua thực tế triển khai thiết bị Flite 11xSA chỉ cảnh báo bằng đèn tại chỗ nên việc tìm kiếm phải dựa vào đèn nên thời gian kéo dài Bên cạnh đó, giá thành thiết bị khá cao, nên khả năng triển khai trong toàn hệ thống lưới điện do Công ty quản lý rất hạn chế
Xuất phát từ thực tế trên KHPC đã thành lập nhóm nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm
“Thiết bị chỉ thị và cảnh báo sự cố trên lưới điện trung áp” với yêu cầu sản phẩm làm
ra phải được ứng dụng thực tế trên lưới điện trung thế với các mục đích: Phát hiện và gửi cảnh báo sự cố đến cá nhân và đơn vị liên quan trong thời gian sớm nhất theo hướng tự động hóa nhằm cách ly điểm sự cố ra khỏi hệ thống nhanh nhất, rút ngắn thời gian mất điện của khách hàng sử dụng điện; Đáp ứng chỉ tiêu về nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng
1 GIỚI THIỆU
Theo Quyết định số 717/QĐEVN ngày 28 tháng 8 năm 2014 của Tập đoàn Điện lực Việt Nam về việc Ban hành Quy định thống kê, báo cáo sự cố và độ tin cậy lưới điện Theo đó, chỉ tiêu về việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng là một trong những tiêu chí quan trọng được Tập đoàn Điện lực Việt Nam quy định đối với các Tổng Công ty Điện lực và các Điện lực trực thuộc không những nâng cao sự hài lòng của khách hàng đối với ngành điện, mà mang lại lợi nhuận cho hoạt động SXKD của đơn vị Theo thống kê sự cố xảy ra đối với lưới điện trung áp thuộc địa bàn KHPC quản
lý vận hành (QLVH) nhận thấy số lần sự cố xảy ra đối với lưới điện trung áp còn khá cao, do đường dây đi qua nhiều địa bàn đồi núi nhiều cây cối, động vật hoang dã, giông
sét,… Nếu như chúng ta không phát hiện và xử lý sớm điểm sự cố sẽ dẫn đến mất điện
Trang 2kéo dài hoặc tái diễn tình trạng sự cố thoáng qua nhiều lần có thể gây hư hỏng thiết bị
và dẫn đến sự cố vĩnh cửu làm gián đoạn cung cấp điện cho khách hàng, ảnh hưởng đến
hoạt động SXKD bán điện và độ tin cậy cung cấp điện
Chính vì lý do trên từ năm 2008, KHPC đã ứng dụng thiết bị chỉ thị sự cố kiểu Flite 11xSA của hãng Schneider để lắp đặt phục vụ cho hoạt động tìm điểm sự cố trên lưới trung áp Bước đầu, thiết bị đã phát huy hiệu quả, xác định nhanh điểm sự cố Qua
đó, đã giảm nhanh thời gian cắt điện do sự cố xảy ra Tuy nhiên, qua thực tế triển khai thiết bị Flite 11xSA đã phát sinh một số nhược điểm dẫn đến sự linh hoạt trong tùy chọn chỉ báo và tuyền tín hiệu rất thấp do thiết bị chỉ cảnh báo bằng đèn tại chỗ nên việc tìm kiếm phải dựa vào đèn và thời gian kéo dài Bên cạnh đó, giá thành thiết bị khá cao, nên khả năng triển khai trong toàn hệ thống lưới điện do Công ty quản lý rất hạn chế
2 MỤC TIÊU CỦA DỰ ÁN
Trước thực trạng trên, KHPC đã thành lập nhóm nghiên cứu nhằm hạn chế thực trạng trên, nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm thành công thiết bị chỉ báo sự cố lưới điện trung áp với nhiều tính năng ưu việt phù hợp với mục đích quản lý của đơn vị, trên cơ
sở đó tiến hành sản xuất thử nghiệm (SXTN) để lắp đặt vận hành trên lưới điện Khánh Hòa
Việc chế tạo thành công thiết bị trên giúp sớm phát hiện và gửi cảnh báo sự cố đến cá nhân và đơn vị liên quan trong thời gian sớm nhất theo hướng tự động hóa (bằng cách gửi tin nhắn cảnh báo thông tin sự cố và hiển thị trực quan trên màn hình máy tính HMI) nhằm cách ly điểm sự cố ra khỏi hệ thống nhanh nhất, rút ngắn thời gian mất điện của khách hàng sử dụng điện, đáp ứng chỉ tiêu ngày càng cao về nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng Sản phẩm làm ra có tính năng kỹ thuật tương đương hoặc ưu việt hơn các sản phẩm đã sản xuất trước đây trên thị trường, phù hợp với mục đích quản lý của đơn vị Ngoài ra việc chế tạo thành công thiết bị trên giúp cho Công ty làm chủ được công nghệ, phần mềm, giá thành sản phẩm rẻ hơn thiết bị ngoại nhập Mục tiêu cụ thể:
Chế tạo thiết bị chỉ thị và cảnh báo sự cố trên lưới điện trung áp, với các yêu cầu cảm biến sự cố dòng điện; cảnh báo tại thiết bị và cảnh báo từ xa; cho phép cài đặt thay đổi thông số cơ bản về dòng và thời gian; phù hợp với thông số kỹ thuật và chế độ vận hành trên lưới điện trung áp hiện nay; bằng các linh kiện điện tử và vật liệu có sẵn trên thị trường trong nước Phần mềm thiết bị do KHPC tự nghiên cứu thiết kế và lập trình
Sản phẩm được ứng dụng cho hệ thống lưới trung áp do KHPC quản lý với một
số tính năng kỹ thuật ưu việt, mức chi phí đầu tư hợp lý, đồng thời phù hợp với thông số
kỹ thuật và chế độ vận hành trên lưới điện hiện nay
Trang 3 Trên cơ sở kết quả SXTN đạt được sẽ tiến hành sản xuất với số lượng lớn không những cung cấp cho KHPC mà còn có thể cung cấp cho các Điện lực khác (dưới dạng thương mại) với chất lượng sản phẩm đảm bảo, chủ động trong sản xuất, bảo hành và
ra thị trường các Điện lực trong toàn EVN
Thiết bị giúp phát hiện sớm sự cố từ đó có giải pháp và phương án xử lý nhanh nhất, hạn chế được thời gian mất điện cho khách hàng nhất là các khách hàng thuộc khu vực quân sự, an ninh quốc phòng và các khách hàng có công suất tiêu thụ lớn Từ đó nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện, giảm tổn thất điện năng do mất điện kéo dài gây ra
4 TÁC ĐỘNG CỦA KẾT QUẢ DỰ ÁN ĐẾN KINH TẾ XÃ HỘI, AN NINH, QUỐC PHÒNG
Trước nhu cầu đòi hỏi ngày càng cao của xã hội về độ tin cậy cung cấp điện, sự phát triển nhanh về khối lượng đường dây quản lý cũng như tính đa dạng, phức tạp trên nhiều loại địa hình của lưới điện trung áp phục vụ cho các nhu cầu phát triển xã hội và dân sinh Cùng với sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật trên thế giới và trong nước, việc ứng dụng các phần mềm tin học trong công tác QLVH lưới điện đang được triển khai, công tác QLVH, sửa chữa lưới điện đang phát triển theo hướng tự động hóa, lao động giản đơn tốn nhiều sức lao động đang được thay thế dần bằng các công cụ và công nghệ tiên tiến hơn, nâng cao năng suất lao động… nên để xác định chính xác vị trí đường dây bị sự cố và cảnh báo sớm nhất thời điểm xảy ra sự cố là các yêu cầu đặt ra đối với người QLVH lưới điện hiện nay
Với các thiết bị chỉ thị sự cố có tính năng tương đương do phải nhập ngoại nên có giá thành rất cao, thời gian triển khai các thủ tục mua sắm kéo dài, trong quá trình sử dụng nếu xảy ra hư hỏng không thể sửa chữa, khắc phục được nên gây tốn kém, lãng phí
Để giải quyết vấn đề trên cần nghiên cứu sản xuất thiết bị chỉ thị, cảnh báo sự cố lưới điện trung áp bằng các vật liệu có sẵn trên thị trường trong nước, kết hợp với mạng viễn thông công cộng và mặt bằng lưới điện trên bản đồ số hiện có (bản đồ lưới điện định vị GPS)… thiết bị chỉ thị và cảnh báo sự cố trên lưới điện sau khi sản xuất sẽ có giá thành thấp hơn thiết bị nhập ngoại, chúng ta sẽ làm chủ công nghệ chế tạo để sản
Trang 4xuất đại trà phục vụ cho nhu cầu của lưới điện KHPC quản lý trước mắt và hướng tới có thể tham gia cung cấp cho các đơn vị điện lực trong cả nước
Cơ sở vật chất, trang thiết bị và phương tiện đồ nghề cơ bản đáp ứng yêu cầu của
Dự án
6 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG, CHUYỂN GIAO, NHÂN RỘNG KẾT QUẢ CỦA DỰ ÁN
Từ kết quả Dự án, sẽ triển khai ứng dụng sản phẩm trên toàn hệ thống do KHPC quản lý có hướng tới các Điện lực trong EVN Vì vậy, KHPC sẽ tổ chức sản xuất với quy mô dự kiến khoảng 1000 chiếc/năm sau khi hoàn thành dự án SXTN
Để đáp ứng quy mô sản xuất Công ty sẽ tiến hành thành lập xưởng sản xuất tại Xí nghiệp Cơ điện Thí nghiệm (số 07 B đường Trường Sơn – Phường Vĩnh Nguyên – TP Nha Trang – Tỉnh Khánh Hòa) với các trang thiết bị phụ trợ như: máy quấn dây tự động, máy hàn chì, máy tạo dòng sự cố, các máy móc thử nghiệm,…
7 MÔ TẢ CÔNG NGHỆ, SƠ ĐỒ HOẶC QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐỂ TRIỂN KHAI TRONG DỰ ÁN
Dự án SXTN thiết bị chỉ thị sự cố trên lưới điện trung áp được kế thừa từ Đề tài nghiên cứu cấp cơ sở được Hội đồng KHCN của KHPC nghiệm thu vào tháng 12/2015
và Đề cương dự án đã được Hội đồng KHCN của Sở KHCN tỉnh Khánh Hòa thông qua vào tháng 3/2017
7.1 Cấu tạo thiết bị
a) Sơ đồ nguyên lý
Khi xảy ra sự cố, thiết bị chỉ thị sự cố lắp đặt trên lưới điện trung áp sẽ ghi nhận
và báo về một tin nhắn SMS thông qua modul SMS Modem GSM tại Server nhận tin nhắn, phân tích cú pháp tin nhắn và thông báo cho phân hệ Client để hiển thị trên bản
đồ số
Trang 5Hình 5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị chỉ thị và cảnh báo sự cố trên sơ đồ số
b) Sơ đồ khối thiết bị chỉ thị sự cố
Hình 6: Sơ đồ khối thiết bị chỉ thị và cảnh báo sự cố lưới điện trung áp
KHỐI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM KHỐI NGUỒN
KHỐI CẢM BIẾN DÒNG ĐIỆN (KHỐI CẢM ỨNG)
KHỐI KÍCH HOẠT CẢNH BÁO
KHỐI CÀI ĐẶT TRỊ SỐ BẰNG DIP SWITCH
KHỐI ADC (Analog/Digital Convert)
Trang 6c) Thông số kỹ thuật cơ bản
Bảng 3: Thông số kỹ thuật cơ bản thiết bị chỉ thị và cảnh báo sự cố
Tuổi thọ pin: 05 năm vận hành
Dải dòng điện làm việc (In):
100/200/400/600A (tùy chọn, t = 50; 100; 300;
500 ms) 1000/1200/1500 A (tùy chọn,
t = 0 40 ms)
Chức năng các modul:
Khối cảm biến dòng điện: gồm cuộn dây có lõi sắt từ theo dạng mạch từ tĩnh
(Hình 3) Kết cấu của lõi sắt từ và cuộn dây được tính toán để có thể nhận điện từ trường của đường dây trung áp đang mang điện cảm ứng vào cuộn dây với dung lượng
đủ lớn để có thể nhận biết được sự thay đổi dòng điện trong đường dây và đảm bảo đủ kích hoạt các vi mạch thuật toán logic của thiết bị chỉ thị sự cố
Hình 7: Khối cảm biến dòng điện
Trang 7 Khối ADC (Analog/Digital Convert): Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ
thuật số có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ khối cảm ứng đưa vào khối xử lý trung tâm Khối này cần làm việc có độ tin cậy cao để chuyển thông tin chính xác về khối xử lý trung tâm làm việc
Khối điều khiển trung tâm: được điều khiển bằng vi điều khiển dòng AVR của
hãng Atmel (Hoa Kỳ) sản xuất theo công nghệ mới (công nghệ RISC) Trên thị trường hiện nay, đây là dòng vi điều khiển tích hợp cao thuộc họ 8 bit theo công nghệ mới với những chức năng cơ bản rất cần thiết trong những ứng dụng cụ thể như: độ ổn định cao, khả năng tích hợp đa dạng, sự mềm dẻo và tiện lợi trong lập trình, giao diện SPI đồng
bộ, các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được, giao tiếp I2C, bộ biến đổi ADC 10 bit, các kênh băm xung PWM, bộ định thời Watchdog, 03 bộ timer/Counter 8 bit, 01 bộ Timer/Counter 16 bit, 01 bộ so sánh analog, bộ nhớ EFPROM… đặc biệt dòng AVR rất tiết kiệm nguồn nuôi, được thể hiện qua 03 chế độ tiết kiệm nguồn nuôi như sau:
+ Chế độ Power Down: lưu giữ các nội dung ở các thanh ghi, ngừng hoạt động
bộ dao động, vô hiệu hóa các chức năng khác của vi điều khiển đến khi có kích hoạt từ bên ngoài
+ Chế độ Powersave: thời gian không đồng bộ vẫn hoạt động, cho phép duy trì
cơ sở thời gian của chương trình, trong khi các thành phần còn lại của vi điều khiển được đưa về chế độ ngủ (sleep mode)
+ Chế độ Standby: Bộ dao động vẫn hoạt động, trong khi toàn bộ thành phần khác
của vi điều khiển được đưa về chế độ ngủ Điều này giúp vi điều khiển có thể nhanh chóng khởi động trở lại với mức tiêu thụ điện năng là cực thấp
Khối cài đặt trị số bằng Dipswitch: nhằm cài đặt các giá trị dòng điện sự cố,
các giá trị thời gian cần thiết để kích hoạt các module chức năng của thiết bị chỉ thị Thông qua các linh kiện điện tử và các khóa chuyển đổi (ON/OFF), khối này được thiết
kế khá đơn giản, giúp cho người sử dụng dễ nắm bắt cách thức cài đặt, dễ sử dụng, các giá trị cài đặt này phải phù hợp và có thể phối hợp được với các tính năng của các thiết
bị lắp đặt trên lưới điện cũng như giá trị dòng điện do sự cố lưới điện trung áp gây ra
Khối kích hoạt cảnh báo: được thiết kế với hai hình thức cảnh báo độc lập
với nhau
+ Cảnh báo tại thiết bị: tín hiệu cảnh báo này được sử dụng thông qua việc nhấp nháy của đèn LED (Light Emitting Diode) được gắn trên thiết bị chỉ thị, giúp cho người quan sát có thể thấy được khi có tín hiệu sự cố Việc sử dụng đèn LED cũng là giải phát nhằm tiết kiệm nguồn nuôi với hiệu suất cao nhất, giúp cho thiết bị chỉ thị có thể làm việc trong thời gian dài (03 ÷ 05 năm)
Trang 8+ Cảnh báo tại Phòng QLVH lưới điện: tín hiệu cảnh báo sự cố sẽ kích hoạt module truyền thông GSM (Remote alarm), thông qua mạng viễn thông công cộng tại Phòng QLVH lưới điện sẽ nhận được tín hiệu cảnh báo tức thời trên sơ đồ mặt bằng lưới điện đang QLVH và tin nhắn
Xuất phát từ các yếu tố cơ bản trên, với các tính năng ưu việt như độ bền cao, trọng lượng nhẹ, có mật độ năng lượng cao và khả năng cung cấp năng lượng dài hơn, pin lithium chính là nguồn nuôi tối ưu nhất có thể đáp ứng trong thời điểm hiện nay
Hình 8: Bo mạch điều khiển thiết bị chỉ thị sự cố Hình 9: Pin lithium
Trang 9Switch I
Switch II
Trang 10 Cài đặt thời gian ghi nhận dòng sự cố: 50; 100; 200; 500 ms (tùy chọn)
Bảng 5
Cài đặt tại vị trí Switch II
Thời gian ghi nhận dòng sự cố
Cài đặt tại vị trí Switch II
Thời gian nhấp nháy đèn
Chức năng duy trì thời gian nhấp nháy đèn cảnh báo khi sự cố lâu dài: Khi có tín hiệu sự cố đèn cảnh báo sẽ nhấp nháy với thời gian cài đặt (ví dụ là 3 h) Sau thời gian (ví dụ 2 h) Đơn vị QLVH đã xác định được nguyên nhân, xử lý xong và tiến hành
Trang 11khôi phục lại lưới điện Nếu đường dây đó vẫn còn sự cố thì thời gian nhấp nháy của đèn cảnh báo sẽ được tính từ thời điểm bắt đầu đóng điện lại (sẽ tiếp tục nhấp nháy 3 h)
Chức năng truyền tín hiệu cảnh báo từ xa qua sóng SMS
Ngoài ra, thiết bị còn có một số tính năng khác như tự khởi động sau khi cấp nguồn (self test) và chống nhiễu ở điện áp cao, tần số 50 Hz,…
f) Vỏ và kết cấu cơ khí của thiết bị chỉ thị sự cố
Cùng với việc nguyên cứu, chế tạo thử nghiệm phần chính của thiết bị chỉ thị sự
cố là mạch điện, phần vỏ hộp được chế tạo để bao che, định vị các modul, hình thức thể hiện… và kết cấu cơ khí móc trên đường dây đáp ứng được những tính năng của thiết
bị, yêu cầu của môi trường làm việc
Thân vỏ hộp thiết bị chỉ thị được chế tạo bằng chất liệu nhựa ABS Đây chính là loại nhựa cầu nối giữa nhựa thương mại và nhựa kỹ thuật được tạo nên từ 03 loại monomer: acrylonitrile, butadiene và Styrene Vật liệu nhựa ABS có tính cứng rắn nhưng không giòn, cân bằng tốt giữa độ bền kéo, va đập, độ cứng bề mặt, độ rắn tổng thể kết cấu, độ chịu nhiệt (khoảng 80 oC), các đặc tính về cách điện, trong khi giá thành tương đối rẻ so với các loại nhựa kỹ thuật khác
Nắp hộp được chế tạo bằng nhựa PC (Polycarbonate) trong suốt Đây là loại nhựa
kỹ thuật có tính ổn định và dẻo dai, chịu được nhiệt độ cao (khoảng 100 oC) Nhựa PC
có tính chất phản xạ, không hấp thụ tia cực tím nên sản phẩm không bị mờ, đục do chịu tác động trực tiếp bởi ánh sáng mặt trời khi treo trên lưới điện
Móc và chốt lò xo được chế tạo từ nhựa PA (Polyamide) Đây là loại nhựa có tính chất dẻo, chịu lực va đập tốt, ít bị ăn mòn khi chịu va đập Nhựa PA có khả năng làm việc tốt trong cả 2 môi trường nóng và lạnh mà vẫn bảo đảm được tính cơ học, không
ban hành đạt được cấp bảo vệ IP54 Nghĩa là mức độ chống bụi nằm ở mức: Không bảo
vệ hoàn toàn khỏi sự thâm nhập của bụi, nhưng sẽ không bị thâm nhập với số lượng đủ lớn để ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của thiết bị, bảo vệ hoàn toàn khỏi tiếp xúc; mức độ bảo vệ chống nước nằm ở mức: Nước được tạt vào vỏ bọc từ bất kỳ hướng nào sẽ không có tác động nguy hiểm
g) Khối modul SMS truyền tín hiệu (Remote alarm)
Khi có tín hiệu báo hiệu từ khối cảm biến, khối nguồn sẽ được bật để cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển và modem GSM Nếu tín hiệu báo hiệu kéo dài dưới 0.5 s thì