Xây dựng hệ thống SCADA trong nhà máy thủy điện sử dụng chuẩn truyền thông IEC61850

Xây dựng hệ thống SCADA trong nhà máy thủy điện sử dụng chuẩn truyền thông IEC61850

Một khi các thiết bị có hỗ trợ chuẩn truyền thông IEC61850 thì việc kết nối các phần tử trongnhà máy không còn bị ràng buộc bởi bất cứ nhà sản xuất nào.

1. Giới thiệu chung

Nhu cầu cải tiến, nâng cấp hệ thống truyền thông nhằm phục vụ mục đích giám sát và quản lý hiệu quả hơn tại các nhà máy thủy điện ngày càng tăng. Tuy nhiên, thực tế cho thấy các nhà máy thủy điện xây dựng còn mang nặng tính chất kế thừa, thiếu nhất quán, trong hệ thống tồn tại nhiều thế hệ thiết bị và công nghệ sản xuất khác nhau. Thực tế có nhà máy thủy điện tại Việt Nam được nhà thầu Trung Quốc sử dụng các chuẩn truyền thông khác nhau, hơn nữa còn sử dụng chuẩn truyền thông mang tính độc quyền. Các hệ thống con với xuất xứ khác nhau như hệ thống điều tốc của Nhật Bản, hệ thống điều khiển Tuabin của Trung Quốc, hệ thốngkích từ của Trung Quốc, hệ thống điều khiển tổ máy của Việt Nam,… đã mang tới những khó khăn trong việc phối hợp vận hành giữa chúng. Vấn đề sẽ càng trở nên phức tạp nếu sau một thời gian sử dụng cần thiết phải tiến hành nâng cấp một số thiết bị với công nghệ mới hơn. Việc nâng cấp thiết bị khi đó đòi hỏi phải giải quyết vấn đề về truyền thông giữa các thiết bị. Giải pháp thông thường là sử dụng các bộ chuyển đổi truyền thông như trong hình H.1 và làm giảm tính linh hoạt của việc tổ chức truyền thông, tăng độ trễ truyền thông, giảm độ tin cậy của toàn hệ thống, đặc biệt các chức năng bảo vệ an toàn trong nhà máy hoạt động không hiệu quả còn có thể dẫn tới những sự cố gây thiệt hại lớn về kinh tế. Chính vì vậy, việc chuẩn hóa truyềnthông để kết nối các phần tử khác nhau trong nhà máy thủy điện có ý nghĩa quan trọng.

Việc phát triển 2 nội dung trong IEC61850 dành riêng cho thủy điện là: IEC61850-7-410 (Basic communication structure - Hydroelectric power plants - Communication for monitoring and control) và IEC61850-7-510 (Basic communication structure - Hydroelectric power plants - Modelling concepts and guidelines), đã tạo ra tư duy mới linh hoạt hơn trong quá trình xây dựng, thiết kế hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) trong nhà máy thủy điện, từ đó đơn giản hóa việc tích hợp kết nối giữa các phần tử cả phần mềm và phần cứng trong nhà máy. Trong các hệ thống truyền thông sử dụng trước đây, việc chuẩn hóa đã được hướng tới (hình H.2) tuy nhiên vẫn còn rất nhiều trở ngại cho việc tích hợp các thiết bị của nhiều nhà sản xuất, thậm chí của một nhà sản xuất nhưng với các thiết bị thuộc các thế hệ khác nhau. Trên hình H.2 ta thấy cùng là giao thức Modbus RTU nhưng các hãng sản xuất lại có một Driver riêng tương thích với mỗi thiết bị của mình. Hơn thế nữa rõ ràng ta thấy tuy cùng là một nhà sản xuất, cùng một giao thức truyền thông nhưng với các dòng thiết bị hoặc các đời thiết bị khác nhau thì các Drivers cũng khác.

Không chỉ dừng lại là chuẩn giao thức truyền thông đơn thuần, IEC61850 còn cho ta cái nhìn tổng quan về toàn bộ về nhà máy thủy điện bằng việc mô hình hóa các thiết bị dưới dạng thiếtbị logic (LogicalDevice) và các chức năng dưới dạng các nút logic (LogicalNode).

Bài viết này sẽ phân tích khả năng ứng dụng của chuẩn truyền thông IEC61850 trong việc xây dựng hệ thống truyền thông, nhằm hỗ trợ công tác giám sát, vận hành, thu thập số liệu (SCADA) tại các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ.

2. Phát triển ứng dụng SCADA trong nhà máy thủy điện với truyền thông IEC61850

Điểm ưu việt và cũng là điểm khác cơ bản của chuẩn truyền thông IEC61850 với phần lớn các chuẩn truyền thông DNP, IEC60870-5-104, Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP/IP,… được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy thủy điện hiện nay với các giao thức trên phần dữ liệu và cơ chế trao đổi thông tin đã được cấu hình sẵn từ nhà sản xuất, người dùng không thể can thiệp chỉnh sửa là việc mô hình hóa chức năng, tổ chức cấu trúc dữ liệu, cũng như cấu hình cơ chế truyền thông hoàn toàn linh hoạt.

2.1 Mô hình hóa đối tượng trong nhà máy

Trong chuẩn truyền thông IEC61850 đã sử dụng tới 60 nút logic (Logical Nodes) và 350 đối tượng dữ liệu (Data Objects) để định nghĩa thông tin, mô hình hóa cho tất cả các đối tượng trong nhà máy thủy điện. Các thiết bị điện tử thông minh (IED) sẽ được được mô hình hóa dưới dạng thiết bị logic đại diện cho từng thành phần khác nhau trong nhà máy thủy điện như hình H.3.

Một thiết bị logic có thể gồm nhiều các nút logic như trên hình H.3 và H.4. Trong mỗi nút logicbao gồm các thành phần:

* Đối tượng dữ liệu (Data Objects): Được dùng miêu tả thuộc tính của đối tượng.Ứng với từng chức năng và nhiệm vụ cụ thể sẽ có các đối tượng dữ liệu mô tả tương ứng. Ví dụ: ACAlarm - là đối tượng có chức năng cảnh báo lỗi nguồn cấp AC,…

* Lớp dữ liệu (Data Class):

- Lớp dữ liệu có chức năng thông báo trạng thái (Status information);

- Lớp dữ liệu thông tin đo lường (Measured information);

- Lớp dữ liệu có chức năng điều khiển (Control);

- Lớp dữ liệu có chức năng cài đặt trạng thái (Status setting);

- Lớp dữ liệu có chức năng cài đặt giá trị Analog (Analog setting);

- Lớp dữ liệu thông thường (Common Data class)… Ví dụ: Lớp dữ liệu ASG có chức năng cài đặt giá trị Analog (Analog setting), lớp dữ liệu MV chức năng lưu trữ các giá trị đo (Measured value), lớp dữ liệu SPS thể hiện thông tin trạng thái của các điểm đơn (Single point status),…

Một số nút logic đặc trưng của nhà thủy điện được định nghĩa sẵn trong phần IEC61850-7-410 như sau:

Nút logic đập thủy điện HDAM

Nút logic HDAM được sử dụng để cung cấp những thông tin thiết kế cơ bản của đập trong nhà máy thủy điện. Những chức năng của đập sẽ được làm rõ trong nút logic HRES.

Nút logic hồ chứa nước HRES

Nút logic HRES được sử dụng để đại diện cho chức năng của hồ chứa trong nhà máy thủy điện.

Nút logic Cửa đập HGTE

Nút logic HGTE được sử dụng để mô tả cho cửa đập. Vị trí cửa đập có thể là mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn phụ thuộc vào mức nước của đập. Cửa đập luôn luôn được nằm dưới mực nước của đập.

Nút logic tuabin HTUR

Nút logic HTUR được sử dụng đại diện cho các thiết bị vật lý của tuabin trong nhà máy thủy điện. Nút logic bao gồm các dữ liệu độ mở cánh hướng, trạng thái hoạt động cũng như thôngtin về thời gian chạy của tuabin.

2.2 Mô hình hóa chức năng điều khiển trong nhà máy thủy điện

Một trong những hệ thống quan trọng nhất của nhà máy thủy điện đó là hệ thống kích từ, ta phải dùng đến nhiều nút logic để mô hình hóa cho toàn bộ thông tin và chức năng của hệ thống này như trên hình H.5.

* Trong nút logic này bao gồm các hàm chức năng bảo vệ như:

- Bảo vệ quá dòng

- PTOC

- Bảo vệ quá áp

- PTOV

- Bảo vệ quá nhiệt

- PTTR

- Bảo vệ chạm đất - PTEF

* Các hàm có chức năng điều khiển:

- Điều chỉnh công suất tác dụng - FSPT, FPID

- Lựa chọn chế độ điều chỉnh bằng tay/tự động - ACTM

- Điều khiển quạt làm mát - KFAN

2.3 Trao đổi thông tin trong nhà máy thủy điện sử dụng IEC61850

Trong phần này sẽ đi vào mô tả quá trình thiết lập, trao đổi và phối hợp các chức năng của hệ thống truyền thông trong nhà máy thủy điện sử dụng chuẩn truyền thông IEC61850, để tạo thành hệ thống giám sát - điều khiển hợp nhất.

Trước hết, để xây dựng được một hệ thống truyền thông sử dụng chuẩn truyền thôngIEC61850 thì các thiết bị điều khiển giám sát truyền thống trong nhà máy phải được thay thế bằng các thiết bị điện tử thông minh (IED) có hỗ trợ chuẩn truyền thông Ethernet với chuẩn truyền thông IEC61850.

Như trong hình H.6 mỗi thiết bị điện tử thông minh (IED) sẽ đại diện cho một thành phần trongnhà máy thủy điện. Các chức năng, thông tin của từng thành phần này sẽ được đặc tả thôngqua các nút logic (Logical Nodes) và thiết bị logic (Logical Device), từ đó cho ta thấy toàn cảnh cơ chế hoạt động của nhà máy thủy điện một cách chi tiết, thuận tiện cho quá trình giám sát cũng như vận hành, bảo trì, sửa chữa. Với cơ chế hoạt động được thể hiện như hình H.7, toàn bộ các thông số trong nhà máy thủy điện không còn hoạt động độc lập mà có tính phối hợp cao, giúp cho việc tối ưu hóa và nâng cao hiệu suất làm việc của nhà máy. Ví dụ: Để thực hiện điều chỉnh công suất tác dụng (P) thì ta cần phải thay đổi độ mở cánh hướng trong hệ thốngđiều tốc. Chức năng điều khiển này được thực hiện thông qua nút ogic HSEQ, nút logic này chứa các thông tin của mức nước hồ chứa và các thuật toán điều khiển. Thông tin và giá trị về mức nước hồ chứa được cung cấp thông qua hai nút logic HLVL. Các dữ liệu này sẽ là thông tin đầu vào cho hàm tính toán tối ưu độ mở cánh hướng thông qua nút logic HUNT, để giữ ổn định giá trị tối ưu người ta sử dụng nút logic FPID với thuật toán điều khiển PID.

Để rõ hơn về việc phối hợp giữa các nút logic ta xét hình H.8 khi giá trị công suất tác dụng mong muốn được thiết lập thông qua nút logic FSPT cùng với thông tin mức nước tại hồ chứa trên nút logic HLVL sẽ là thông tin đầu vào cho hàm tính toán tối ưu tốc độ, giá trị sau khi tính toán sẽ là giá trị đặt của bộ điều tốc để điều khiển tốc độ máy phát sao cho phù hợp với giá trị công suất tác dụng mong muốn.

3. Những ưu, nhược điểm của IEC61850 khi xây dựng SCADA cho nhà máy thủy điện

Khi thiết kế hệ SCADA cho nhà máy thủy điện sử dụng truyền thông IEC61850, người kỹ sư thiết kế phải sử dụng tư duy hướng đối tượng và với sự hỗ trợ của IEC61850 sẽ đảm bảo khả năng quản lý, bao quát tất cả các vấn đề cần quan tâm, tránh được những sai sót có thể gặp phải. Chuẩn truyền thông IEC61850 cung cấp 1 số lượng lớn các chức năng mà những giao thức truyền thống không có làm cho giao thức này có tác động trực tiếp và tích cực đến chi phí thiết kế, xây dựng, lắp đặt và vận hành hệ thống.

Ngoài ra cần phải xét đến nhưng ưu điểm sau:

- Giảm chi phí lắp đặt: Bằng việc cấu hình, mô tả toàn bộ trạng thái và dữ liệu của đối tượng trong nhà máy qua bản tin GOOSE, GSE đã làm cho việc trao đổi, nắm bắt và phối hợp thôngtin trở lên linh hoạt hơn. Điều này loại bỏ được việc thi công máng, rãnh cáp điện như so sánh trên hình H.9. Lúc này việc trao đổi thông tin được diễn ra duy nhất trên hệ thống mạng LAN trong nhà máy.

- Giảm chi phí khi đầu tư các bộ chuyển đổi (Transduser): Thay vì phải trang bị cho mỗi thiết bị một bộ chuyển đổi tín hiệu, những thiết bị tích hợp chuẩn truyền thông IEC61850 sẽ hỗ trợ lấy mẫu giá trị đo (Sampled Measured Values). Sử dụng tính năng kỹ thuật này thay thế việc sử dụng những bộ chuyển đổi tín hiệu thông thường làm giảm hệ thống dây dẫn, và giảm chi phí bảo trì.

- Giảm chi phí vận hành: Chi phí cài đặt và cấu hình hệ thống giảm đáng kể vì những thiết bị hỗ trợ chuẩn truyền thông IEC61850 có những phần mềm đi kèm, người dùng có thể cấu hình online thay vì thủ công như các thiết bị truyền thống. Chỉ cần xuất một file SCL các kỹ thuật viên có thể cấu hình cho tất cả các ứng dụng Client mà không cần phải mất công thao tác cho từng thiết bị riêng lẻ. Với kỹ thuật này loại bỏ được hầu hết các kỹ thuật cấu hình thủ công, loại bỏ đáng kể sai sót và công việc có tính chất lặp lại.

- Giảm chi phí tích hợp: Bằng việc thiết lập cùng một loại công nghệ mạng đang được sử dụng rộng rãi hiện nay, việc kết nối, tích hợp cũng trở lên linh hoạt và giảm chi phí. Thay vì sử dụng RTU, tốn kém về mặt giá thành, phức tạp về việc cấu hình đưa dữ liệu về trung tâm điều khiển - giám sát. Việc sử dụng chuẩn truyền thông IEC61850 cho phép việc kết nối không cần thôngqua thiết bị đầu cuối riêng lẻ hoặc phải cấu hình lại thiết bị.

Nhược điểm của việc ứng dụng IEC61850 trong việc xây dựng hệ SCADA cho nhà máy thủy điện là các thiết bị sử dụng trong nhà máy phải là các thiết bị điện tử thông minh IED có tích hợp chuẩn truyền thông IEC61850. Chi phí đầu tư ban đầu có thể cao hơn phương án truyềnthống nếu sự tiết kiệm của chi phí cable, nhân công lắp đặt không bù đắp được chi phí tăng thêm của các thiết bị. Tuy nhiên, về lâu dài khi xem xét tới cả chi phí vận hành và đặc biệt khi nâng cấp thiết bị thì việc sử dụng IEC61850 sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn các phương án truyền thống.