Mô hình hệ thống điều khiển giám sát cho trạm điện phân phối

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đào Huy Du, “Mô hình hệ thống điều khiển giám sát cho trạm điện phân phối.” 180 MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI Đào Huy Du* Tóm tắt: Hiện nay, các hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong công nghiệp phân phối và truyền tải điện năng. Hầu hết các trạm điện phân phối ở nước ta đã được trang bị đồng bộ hệ thống SCADA. Tuy nhiên, đối với các trạm phân phối nhỏ, đặc biệt là các trạm hạ áp dùng trong các cơ quan, xí nghiệp việc trang bị một hệ thống như vậy là tốn kém và không hiệu quả. Bài báo này đề xuất ứng dụng thiết bị đo năng lượng đa năng MFM 384, kết hợp với PLC để tạo thành hệ điều khiển và giám sát đảm bảo tính đơn giản, hiệu quả và giá thành thấp, chấp nhận được. Một mô hình được xây dựng, các kết quả thực nghiệm thể hiện tính hiệu quả và khả thi của giải pháp đưa ra. Từ khóa: SCADA, Giám sát, Điều khiển, Trạm phân phối, Trạm hạ áp. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống điện Việt Nam đang được đầu tư xây dựng ngày càng nhiều các đường dây và trạm biến áp (TBA) cũng như mở rộng các TBA đã đầu tư xây dựng trước đây: xây dựng các máy biến áp (MBA) số hai và các xuất tuyến trung áp nhằm mục đích đảm bảo cung cấp điện, đảm bảo sự tăng trưởng của phụ tải. Mặt khác, hệ thống điện Việt Nam ngày càng được hiện đại hóa bằng các thiết bị điện hiện đại. Việc quản lý, giám sát, điều khiển và vận hành hệ thống điện cũng không ngừng được nâng cao với sự trợ giúp của các thiết bị tự động hóa, thiết bị truyền tin và điều khiển từ xa với các hệ thống giám sát điều khiển hệ thống điện SCADA (Supervisory Control And Data Acquision). Hơn nữa, khi xảy ra sự cố trong TBA quá trình nhận dạng, phát hiện, cách ly và xác định chính xác tình trạng sự cố càng nhanh sẽ càng có lợi, giúp cho việc khôi phục lại chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, giảm thiệt hại về kinh tế và nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ [1], [2]. Tuy nhiên, trong các trạm phân phối nhỏ, các trạm hạ áp (THA) sử dụng trong phạm vi của một cơ quan, nhà máy xí nghiệp, hầu như không được trang bị các hệ thống tự động hóa; việc điều khiển giám sát đều do con người đảm nhiệm. Trong bài báo này, tác giả xây dựng một mô hình thu nhỏ của trạm điện phân phối ứng dụng đồng hồ đo đa năng Selec MFM384-C và PLC S7-1200 kết nối với giao diện HMI để điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ trạm. Thông tin được truyền tải qua hệ thống mạng cục bộ (LAN), giao diện HMI xây dựng trên nền tảng phần mềm WinCC của hãng Siemens giúp cung cấp những thông tin cơ bản như: công suất tiêu thụ, năng lượng sử dụng, tình trạng các thiết bị, ... của TBA và thao tác điều khiển trạm một cách có hiệu quả. Giải pháp đơn giản, hiệu quả sẽ giúp việc vận hành và bảo dưỡng TBA, cũng như quản lý năng lượng tiêu thụ của đơn vị tốt hơn. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TBA PHÂN PHỐI Các TBA đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải và phân phối điện năng. Tuy nhiên cấu trúc của một TBA hoàn chỉnh thường phức tạp, gồm nhiều thiết bị đo lường, đóng cắt và bảo vệ khác nhau. Vì vậy, để xây dựng mô hình đầy đủ của một TBA thường khá khó khăn. Nhằm thể hiện khả năng của hệ thống SCADA trong việc điều khiển và giám sát cho các TBA, đặc biệt là các trạm nhỏ, trạm hạ áp, tác giả xây dựng một mô hình giản lược của trạm điện phân phối. Xét sơ đồ nguyên lý chung của một trạm điện hạ áp như sau: Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 181 Hình 1. Sơ đồ nguyên lý TBA phân phối hạ áp. Từ nguyên lý chung, ta có sơ đồ khối tủ điện mô hình hệ thống điều khiển giám sát cho trạm điện phân phối như hình 2 dưới đây. Hệ thống được thiết kế bao gồm các phần tử chính như sau:  Mô hình máy cắt MC: dùng khởi động từ (LS Contactor 32A) làm mô hình thay thế cho máy cắt trong các TBA.  Thiết bị đo năng lượng (RTU): sử dụng đồng hồ đa năng MFM384-C có khả năng truyền thông. Tín hiệu dòng của 3 pha lấy về đồng hồ qua 3 máy biến dòng CT có tỷ số 50/5A. Tín hiệu áp các pha lấy trực tiếp từ lưới đưa vào đồng hồ.  Thiết bị điều khiển: PLC S7-1200 của Siemens, phục vụ cho việc điều khiển tủ cũng như thu thập và gửi dữ liệu lên máy tính PC.  Màn hình điều khiển HMI: được xây dựng trên nền phần mềm WinCC của hãng Siemens, giao tiếp với bộ điều khiển qua mạng cục bộ (LAN).  Một số thành phần khác: đèn báo trạng thái, nút bấm, Tủ có hai chế độ vận hành: Local (tại chỗ) và Remote (từ xa). được chọn thông qua chuyển mạch Mode Select trên mặt tủ:  Local Mode: Hoạt động của tủ được điều khiển và giám sát tại chỗ. Trên mặt tủ có các nút: Đóng MC, Cắt MC dùng cho thao tác đóng/mở máy cắt bằng tay. Trạng thái của MC cũng được hiển thị trên các đèn trạng thái (Đ,M). Đồng thời, các tín hiệu trạng thái của trạm như: dòng điện, điện áp, công suất, năng lượng trong các pha cũng được đo và hiển thị lên màn hình ở mặt tủ, giúp cho người vận hành có thể giám sát, đánh giá được hoạt động của trạm. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đào Huy Du, “Mô hình hệ thống điều khiển giám sát cho trạm điện phân phối.” 182  Remote Mode: Tủ được giám sát và vận hành từ xa. Giao diện người máy HMI thiết kế trên màn hình PC giúp cho người dùng có thể giám sát các thông số của tủ và thực hiện lệnh điều khiển từ xa. Hình 2. Sơ đồ khối tủ điều khiển giám sát cho trạm điện phân phối. 2.1. Đồng hồ đa năng MFM384-C Đóng vai trò là thiết bị RTU trong hệ SCADA, dòng sản phẩm MFM384-C của hãng Selec có thể đo được hầu hết tất cả các tham số khác nhau của mạng 3 pha và 1 pha như: điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến, đo năng lượng, hệ số công suất và tần số. Sơ đồ đấu dây: MFM384 có thể cài đặt với nhiều sơ đồ nối dây khác nhau, trong bài báo này, tác giả sử dụng sở đồ 3 pha 4 dây kết hợp với TI để lấy thu thập các thông tin về trạng thái TBA: Hình 3. Đồng hồ Selec MFM384-C. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 183 Hình 4. Sơ đồ 3 pha 4 dây dùng 3TI. 2.2. Bộ điều khiển S7-1200 Được thiết kế để thay thế dần cho S7-200 đã lạc hậu, bộ điều khiển logic khả trình S7- 1200 của Siemens có những tính năng nổi trội hơn nhiều so với dòng tiền nhiệm. Với thiết kế nhỏ gọn, S7-1200 cung cấp một CPU với tập lệnh mạnh, nhiều module mở rộng khác nhau: cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau, 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP, ... Hình 5. Bộ điều khiển S7-1200. 2.3. Phần mềm WinCC Giao diện điều khiển giám sát trên máy tính được xây dựng dựa trên phần mềm WinCC của hãng Siemens. Đây là phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA. Hiện nay, WinCC được Siemens tích hợp trong các phiên bản của phần mềm TIA Portal. 3. CÁC KẾT QUẢ Từ sơ đồ nguyên lý, sau khi thi công lắp ráp ta được kết quả là mô hình tủ điều khiển – giám sát cho trạm điện phân phối như sau: Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đào Huy Du, “Mô hình hệ thống điều khiển giám sát cho trạm điện phân phối.” 184 Hình 6. Mô hình tủ điều khiển – giám sát trạm điện phân phối. Ứng dụng đồng hồ đo đa năng MFM384-C, PLC S7-1200 và phần mềm WinCC, sau khi lập trình ta được kết quả như sau: Hình 7. Giao diện điều khiển khi trạm chưa làm việc. Lưu ý: khi trạm chưa làm việc (Máy cắt mở) trạng thái của các phần tử mang điện (máy cắt, đường dây, phụ tải) đều có màu đen. Khi trạm làm việc (Máy cắt được đóng), trạng thái các phần tử mang điện được thể hiện bởi màu đỏ.Các thông số giám sát của trạm được hiển thị trên màn hình lần lượt là: dòng điện, điện áp, công suất (P, Q, S), năng lượng, tần số và hệ số công suất. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 185 Hình 8. Giao diện điều khiển khi trạm đang làm việc. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã phân tích, cấu trúc, hoạt động của trạm phân phối từ đó ứng dụng nền tảng PLC Siemen để thiết kế hệ SCADA với những chức năng giám sát/điều khiển. Các thiết bị được tính chọn, lắp đặt tủ mô hình điều khiển, giám sát cho trạm phân phối. Lập trình giao diện kết nối với bộ PLC cho phép giám sát từ xa trạm điện, qua đó bài báo đã tính toán xây dựng được: mô hình tủ máy cắt có thể thực hiện giám sát, điều khiển, xử lý trạm điện phân phối tại chỗ hoặc từ xa Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế ứng dụng hệ SCADA cho trạm điện phân phối", mã số T2016-12, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Bách, "Lưới điện và hệ thống điện", NXB Khoa học Kỹ thuật (2000). [2]. Hoàng Minh Sơn, "Mạng truyền thông công nghiệp", NXB Khoa học Kỹ thuật (2006). [3]. Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, 2007. [4]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà, Tự động hoá với Simatic S7-300, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2002. [5]. Tập đoàn Điện lực Việt Nam, EVN (11/2015), văn bản số 4725/EVN-KTSX, “Về việc định hướng phát triển Trung tâm điều khiển xa và TBA không người trực”. [6]. James Northcote – Green Robert Wilson, “Control and automation of electrical power distribution systems”, 2007. [7]. Juri Murakami, Hirofumi Kimoto, Manabu Ono, Kuniyoshi Kasahara, Yasushi Hayasaka and Yahsuhide Ueno, “Development of New SCADA system for 500kV Substations”, 2013 [8]. European Commision, M/490 EN, “Smart Grid Mandate, Standardization Mandate to European Standardization Organizations (ESOs) to support European Smart Grid deployment”, 2011. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đào Huy Du, “Mô hình hệ thống điều khiển giám sát cho trạm điện phân phối.” 186 [9]. Website: - www.siemens.com; - www.selec.com. ABSTRACT THE MODEL OF SUPERVISORY CONTROL SYSTEM FOR ELECTRIC DISTRIBUTION STATION Supervisory control systems (SCADA) are increasingly being used, especially in the power distribution and transmission industry. Most of the power stations in our country have been equipped with SCADA system. However, for small distribution stations, especially low voltage stations used in agencies, the establishment of such a system is expensive and ineffective. In this paper, the application of the MFM 384 multimeter energy meter in combination with the PLC to form a control and monitoring system that ensures simplicity, efficiency and low cost is proposed. A model has been developed and experimental results demonstrate the effectiveness and feasibility of the solution. Keywords: SCADA, Electric System, Distribution Station, Low voltage station. Nhận bài ngày 23 tháng 8 năm 2017 Hoàn thiện ngày 06 tháng 9 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 10 năm 2017 Địa chỉ: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên. * Email: daohuydu@tnut.edu.vn.