Thu thập, điều khiển một trạm biến áp trong hệ thống SCADA

1. SCADA là gì?

Scada là từ viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition (Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Như đúng tên gọi của hệ thống, nhiệm vụ chức năng cơ bản nhất của hệ thống là thu thập dữ liệu và điều khiển, giám sát.

2. Chức năng của hệ thống SCADA

Scada thực hiện việc giám sát hệ thống điện qua thiết bị theo dõi các thông số kỹ thuật chính của nguồn điện như: U, I, kW, KVA,... Đây là những thông số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh hưởng rất lớn tới việc vận hành tất cả thiết bị sử dụng điện của tòa nhà hay trong sản xuất công nghiệp. Quản lý tốt các tham số này đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của tòa nhà, nhà máy; nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị.

3. Lợi ích của hệ thống SCADA

Trong hệ thống điện, hệ thống SCADA thu thập, điều khiển, giám sát nhiều trạm biến áp, mang lại các lợi ích sau:
- Đảm bảo khả năng vận hành và giám sát từ xa lưới điện cao áp, trung áp.
- Nâng cao hiệu quả quản lý vận hành.
- Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.
- Nâng cao trình độ của nhân viên vận hành, sửa chữa bảo dưỡng.
- Thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu của hệ thống.

4. Kết nối hệ thống SCADA

Một câu hỏi đặt ra: hệ thống SCADA thu thập, điều khiển các dữ liệu nào đối với một trạm biến áp (TBA) để mang lại các lợi ích trên? Làm cách nào để thu thập dữ liệu trong một TBA? Trong bài báo này sẽ đưa ra cách thực hiện thu thập, điều khiển thiết bị trong một TBA.

Hình 1. Sơ đồ kết nối hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA bao gồm 2 phần: trung tâm điều khiển và các bộ thu thập dữ liệu đặt tại các TBA (hình 1). Một trung tâm điều khiển có thể điều khiển, giám sát nhiều TBA. Tại các TBA, lắp đặt bộ thu thập dữ liệu, thiết bị này được gọi là RTU. RTU có chức năng thu thập dữ liệu cần thiết trong TBA rồi gửi về trung tâm điều khiển, và nhận các lệnh điều khiển từ trung tâm điều khiển sau đó thực thi lệnh đến thiết bị trong TBA. (Hình 1)

Hình 2, mô tả các thành phần của RTU. RTU có cấu tạo như sau:

Hình 2. Sơ đồ khối chức năng và các kết nối đến RTU.

- Bộ phận xử lý trung tâm: thực hiện chức năng lưu trữ cấu hình thiết bị, cấu hình thiết bị, quản lý các bộ phận khác, xử lý thông tin thu thập, đóng gói dữ liệu, nhận và gửi dữ liệu từ trung tâm điều khiển, ra lệnh điều khiển.
- Bộ phận thu thập tín hiệu số 1 bit: thu thập tín hiệu ở dạng ở dạng ON/OFF.
- Bộ phận thu thập tín hiệu số 2 bit: thu thập cặp tín hiệu ở dạng ON/OFF.
- Bộ phận thu thập tín hiệu tương tự: thu thập các tín hiệu analog, chuyển đổi sang dạng tín hiệu số.
- Bộ đầu ra tín hiệu số 1 bit: điều khiển thiết bị ở dạng ON/OFF.
- Bộ đầu ra tín hiệu số 2 bit: điều khiển đồng thời 2 thiết bị ở dạng ON/OFF.
- Bộ đầu ra tín hiệu tương tự: nhận tín hiệu tín hiệu dạng số sau đó đưa ra tương tự tương ứng.
- Bộ phận giao tiếp truyền thông: nhận và gửi dữ liệu giữa trung tâm điều khiển và RTU, nhận dữ liệu từ thiết bị điện thông minh (IED).

Các tín hiệu cảnh báo như cảnh báo mất nguồn DC, cảnh báo mất nguồn AC, chế độ hoạt động của RTU (ở chế độ tại chỗ hay từ xa), cảnh báo cháy…; Các tín hiệu đầu ra của cảnh báo của rơ le bảo vệ như TRIP-87B1, TRIP-B2, TRIP-2-1, TRIP -2-2, TRIP-2-3,TRIP-2-4, TRIP-2-5, TRIP-51, TRIP-50, TRIP-50BF, TRIP-67, TRIP-67N, TRIP-87L, TRIP-87T, TRIP-87N, TRIP-51GN, TRIP-49, TRIP-96, TRIP-63, TRIP-26… thường ở dạng ON/OFF tương ứng ở trạng thái bit 1/0 được đưa đến bộ phận thu thập tín hiệu số 1 bit.

Các tín hiệu trạng thái đóng/mở máy cắt, dao cách ly, dao nối đất thường ở dạng một cặp tín hiệu do các thiết bị này có 2 phía, cần tín hiệu ở cả 2 phía vì có trường hợp dao hoặc máy cắt không thực hiện hết hành trình do kẹt cơ khí. Tín hiệu ON/OFF từ 2 phía tạo thành cặp tương ứng, trạng thái 10,01 là trạng thái hợp lệ biểu thị thiết bị ở trạng thái đóng/ cắt, trạng thái 11,00 là trạng thái không hợp lệ, biểu hiện thiết bị không thực hiện hết hành trình. Cặp tín hiệu này được đưa đến bộ thu nhập tín hiệu 2 bit.

Tần số, công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp, cường độ dòng điện ở các cấp điện áp của máy biến áp có thể thu thập bằng các bộ IED lắp tại các cấp điện áp của máy biến áp, thiết bị IED thu thập dữ liệu và gửi đến RTU qua bộ phận giao tiếp truyền thông, giao thức giữa IED và RTU sử dụng đã được chuẩn hóa ví dụ như IEC 61850.

Lệnh điều khiển từ trung tâm gửi đến RTU, RTU nhận lệnh và đưa ra các lệnh ON/OFF tới các đầu ra 1 bit, hoặc 2 bit. Các đầu ra này được đưa tới cơ cấu đóng cắt thiết bị. Trong TBA thiết bị đóng cắt là máy cắt, dao cách ly, dao nối đất. Lệnh đóng cắt này sử dụng một cặp biến 10 hoặc 01 để đóng cắt thiết bị, cặp biến 11 hoặc 00 là lệnh không hợp lệ.

Để phân biệt các tín hiệu, giá trị đo lường, điều khiển thiết bị chính xác, mỗi đầu vào/ đầu ra 1 bit, hoặc 2 bit, đầu vào/ra tương tự,  IED, được gán một địa chỉ, địa chỉ này là định danh duy nhất trong RTU. Trong hệ thống SCADA, mỗi RTU có một địa chỉ duy nhất. Sự kết hợp địa chỉ duy nhất của RTU, địa chỉ của một đầu vào/ra của RTU sẽ định danh ra duy nhất một đầu vào/ra (bao gồm cả tương tự và số). Các giá trị RTU thu thập được sẽ được gửi đến trung tâm điều khiển và các lệnh từ trung tâm điều khiển gửi đến RTU được thực hiện chính xác. Giao thức sử dụng giữa RTU và trung tâm điều khiển có thể sử dụng IEC-60870-5-101 hoặc IEC-60870-5-104. Giao thức IEC-60870-5-101 sử dụng giao tiếp RS232 để kết nối đến trung tâm điều khiển, còn giao thức IEC-60870-5-104 sử dụng giao tiếp Ethernet để kết nối đến trung tâm điều khiển. Giao tiếp RS232, Ethernet đều sử dụng cho khoảng cách gần, để có thể kết nối đến trung tâm điều khiển khoảng cách xa (về mặt địa lý trong tỉnh hoặc liên tỉnh) có thể thực hiện bằng cách đặt các modem chuyển đổi RS232, Ethernet sang giao diện mạng viễn thông phù hợp để truyền thông tin đi xa, ví dụ bộ chuyển đổi RS232/E1 để kết nối mạng SDH, giao tiếp Ethernet có thể kết nối trực tiếp đến mạng IP... Tại trung tâm điều khiển các dữ liệu được lưu trữ, các lệnh điều khiển, các giá trị thu thập, tín hiệu thu thập được hiển thị trên màn hình (giao diện người /máy). Người vận hành có thể đọc các thông số và điều khiển các thiết bị từ giao diện này.

Hệ thống SCADA có thể thu thập các tín hiệu cảnh báo, cảnh báo của rơ le bảo vệ; trạng thái đóng cắt dao cách ly, dao nối đất, máy cắt; thu thập giá trị đo lường của thanh cái, máy biến áp, lộ đường dây; điều khiển máy cắt, dao cách ly, dao nối đất, bộ đổi nấc máy biến áp. Hệ thống này không chỉ sử dụng cho hệ thống điện mà có thể được sử dụng cho giám sát, điều khiển xa trong tòa nhà, khu công nghiệp…