TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VẬN HÀNH CÁC TRẠM BIẾN ÁP RESEARCHING COMPUTER GUIDE TO BUILD CONTROLLING AND SUPERVISING SYSTEMS FOR OPERATING SUBSTATIONS NGÔ VĂN DƯỠNG – HUỲNH VĂN KỲ Đại học Đà Nẵng LÊ ĐÌNH DƯƠNG Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Công nghệ điều khiển hệ thống điện (HTĐ) bằng máy tính (Computer guide) đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới để tự động hoá quá trình vận hành hệ thống điện. Do đặc điểm của Hệ thống điện Việt Nam (HTĐVN) còn tồn tại nhiều chủng loại thiết bị khác nhau và đa số các dao cách ly (DCL) đều truyền động đóng cắt bằng tay nên việc sử dụng công nghệ nêu trên với các thiết bị ngoại nhập để cải tạo nâng cấp thì chi phí khá cao. Bài báo trình bày một giải pháp áp dụng công nghệ điều khiển để xây dụng phần mềm và sử dụng các thiết bị lắp ráp trong nước để cải tao nâng cấp các trạm biến áp (TBA) công suất nhỏ và có cấp điện áp bé hơn 220 kV. ABSTRACT Computer guide is applying spaciously all over the world to automate operating process of power systems. Vietnam’s Power System has a characteristic that many devices with different types exist in it and most disconnectors are driven to switch by hand so using above technology with imported devices to improve and upgrade substations is rather expensive. This article presents a solution which applies controlling technology to build software and use inland devices to improve and upgrade substations with small capacity and voltage lower than 220 kV. 1. Đặt vấn đề Trong quản lý vận hành hệ thống điện nói chung, TBA nói riêng, các công ty thường tìm những giải pháp nhằm giảm chi phí vận hành đến mức thấp nhất như: Tự động hoá TBA để giảm số nhân viên vận hành; điều khiển và giám sát từ xa để phát hiện và xử lý nhanh sự cố nhằm giảm thiểu thời gian mất điện; xây dựng những phần mềm tự động thao tác với những ràng buộc khống chế tránh thao tác nhầm… Công nghệ điều khiển hệ thống điện bằng máy tính đã hổ trợ tích cực cho các giải pháp trên, tuy nhiên để sử dụng được công nghệ này thì cần phải đầu tư các bộ thu thập cung cấp thông tin và tất cả các thiết bị đóng cắt đều có bộ truyền động đóng cắt điều khiển từ xa (đặc biệt là các dao cách ly). Như vậy, cần 52 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 phải tăng vốn đầu tư nhưng khoản kinh phí này sẽ được bù đắp nhanh chóng nhờ giảm chi phí vận hành. Do đặc điểm hình thành và phát triển qua nhiều giai đoạn lịch sử khác nhau nên trong HTĐVN đang tồn tại nhiều chủng loại thiết bị và nhiều cấp điện áp vận hành khác nhau nên gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình quản lý vận hành hệ thống [5]. Công nghệ điều khiển hệ thống điện đã bắt đầu được áp dụng ở một số nhà máy điện và các trạm biến áp 220 kV để thực hiện tự động hoá quá trình vận hành. Đối với các TBA có cấp điện áp bé hơn 220 kV, công suất nhỏ (chiếm 3/4 tổng công suất lắp đặt của các TBA trong toàn hệ thống) đều không có người trực và thao tác đóng cắt bằng tay. Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cần thiết phải cải tạo nâng cấp các TBA này. Tuy nhiên, nếu sử dụng công nghệ và thiết bị nhập ngoại thì giá thành cao làm giảm hiệu quả đầu tư. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu tìm giải pháp hợp lý để áp dụng công nghệ điều khiển hệ thống điện nhằm cải tạo nâng cấp các TBA nêu trên theo hướng tự động hoá quá trình điều khiển và giám sát vận hành. 2. Hiện trạng thiết bị đóng cắt và công nghệ điều khiển đang sử dụng trong HTĐVN Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, trong những năm qua Tổng công ty Điện lực Việt Nam đã từng bước thay thế và đồng bộ hoá các thiết bị đóng cắt. Trước đây, tại các TBA là thiết bị cũ của Liên Xô, các máy cắt lắp đặt trên lưới là loại máy cắt không khí BBbT, máy cắt dầu BMT. Hiện nay, các máy cắt được sử dụng chủ yếu là loại máy cắt SF6; các máy cắt không khí và máy cắt dầu ở lưới phân phối cũng dần dần được thay thế bằng các loại mới là máy cắt SF6 hoặc máy cắt chân không của các hãng như Alstom, Siemens, ABB, Sel, Areva, Trench, Các thiết bị này có một đặc điểm nổi bật là độ tin cậy cao, chi phí bảo dưỡng thấp và khắc phục được các nhược điểm của các thiết bị cũ trước đây; phía 22 kV sử dụng máy cắt hợp bộ. Một số dao cách ly (DCL) ở phía 110 kV và 35 kV được sử dụng trước đây vẫn tồn tại và chủ yếu là thao tác bằng tay, không có bộ truyền động hoặc có trước đó nhưng hiện nay đã hỏng, chưa được thay thế và cải tạo do đó không thể áp dụng cho việc điều khiển và giám sát vận hành tự động. [5] Các TBA mới xây dựng gần đây hầu hết được trang bị các thiết bị đóng cắt thế hệ mới và có thể sử dụng cho việc điều khiển và giám sát vận hành tự động và đang sử dụng các công nghệ của nước ngoài như: LSA, SICAM SAS (Siemens), SCS/SMS, Micro SCADA (ABB), PACIS (Areva), SEL… Các TBA đã xây dựng trước đây với các thiết bị đóng cắt thế hệ cũ đặc biệt là các DCL, để áp dụng điều khiển và giám sát vận hành tự động thì cần phải cải tạo lại cho phù hợp. Như vậy, phần lớn các TBA thuộc HTĐVN có cấp điện áp dưới 220kV sử dụng hệ thống điều khiển và giám sát vận hành là hệ thống bảng điều khiển cổ truyền bằng vặn khóa, các đồng hồ chỉ thị kim tại phòng điều khiển và thực hiện liên động qua các tiếp điểm phụ của DCL, máy cắt và các rơle trung gian, các TBA nhỏ thì không có người trực. Các thiết bị này hầu hết đã vận hành lâu năm và 53 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 một số TBA sử dụng các thiết bị tồn kho của các công trình khác để lại, trong khi đó, nhu cầu phụ tải trong giai đoạn này tăng nhanh, lưới điện đã bộc lộ nhiều khiếm khuyết. Tại nhiều TBA các thiết bị đóng cắt không được đồng bộ, nhiều chủng loại khác nhau dẫn đến khó khăn trong vận hành, bảo dưỡng, thay thế cũng như cải tạo nâng cấp để thực hiện tự động hoá trạm hoặc ứng dụng công nghệ điều khiển và giám sát vận hành bằng máy tính. [5] 3. Tính toán thiết kế, chế tạo bộ truyền động đóng cắt dao cách ly bằng động cơ điện Để áp dụng công nghệ điều khiển hệ thống điện bằng máy tính thực hiện tự động hoá cho các TBA thuộc HTĐVN thì yêu cầu các thiết bị trong trạm đặc biệt là các thiết bị đóng cắt phải có khả năng thao tác tự động. Các DCL đang sử dụng trong các TBA thuộc HTĐVN có rất nhiều chủng loại khác nhau và phần lớn được thao tác bằng tay. Do đó, một yêu cầu đặt ra là phải cải tạo các bộ truyền động DCL để thực hiện thao tác bằng động cơ điện. Các hệ thống truyền động đóng cắt DCL bằng động cơ điện thường có ba dạng đặc trưng là dạng A, B và C [4]. Thực tế sơ đồ truyền động dạng A (hình 1) với bộ truyền động hai cấp: Cấp một dùng bộ bánh răng trụ răng thẳng và cấp hai dùng bộ trục vít - bánh vít được sử dụng rất phổ biến trên lưới điện do những ưu điểm nổi trội của hệ thống truyền động dùng bánh răng trụ-răng thẳng và trục vít-bánh vít. Vì vậy, bài báo chọn sơ đồ dạng A để nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo bộ truyền DCL. Hình 1 : Sơ đồ truyền động DCL dạng A 1. Động cơ điện 2. Hộp giảm tốc 3. Tay quay N1: Trục động cơ N2: Trục trục vít N3: Trục bánh vít Các bước tính toán thiết kế bộ truyền động bao gồm: Tính chọn động cơ; phân phối tỷ số truyền; thiết kế bộ truyền động bánh răng trụ, răng thẳng; thiết kế bộ truyền trục vít. Hình 2 - DCL th ự c tế t ạ i TBA th ự c t ập 54 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 Trên cơ sở các bước tính toán xây dựng được sơ đồ thuật toán và viết được chương trình tính toán thiết kế bộ truyền động DCL [4]. Chương trình này được ứng dụng để tính toán cải tạo các DCL tại TBA thực tập khoa Điện, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng (TBA-KĐ). Các DCL được sử dụng là loại DN do Công ty thiết bị Đông Hưng sản xuất với hệ thống truyền động cơ khí, thao tác bằng tay, lưỡi dao mở ngang. Sau khi tính toán thiết kế đã chế tạo được bộ truyền động đóng cắt DCL để lắp đặt điều khiển đóng cắt cho các DCL loại DN nêu trên như hình 4. A Hình 4 - Bộ truyền động đóng cắt DCL bằng điện Bách gắn bộ truyền thao tác DCL Bộ truyền động DCL bằng động cơ điện A Hình 3 - Bản vẽ thiết kế bộ truyền động đóng cắt DCL bằng động cơ điện 4. Áp dụng cải tạo nâng cấp TBA thực tập khoa Điện, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng D1 4.1. Hiện trạng TBA thực tập khoa Điện 100-1 C12 100 100-9 131-1 T1 171-1 1319 131 131-3 171 171-7 171-9 Để phục vụ cho việc thực tập quản lý vận hành TBA cho sinh viên chuyên ngành hệ thống điện, Đại học Đà Nẵng đã đầu tư xây dựng TBA 110 kV, 25 MVA. Sơ đồ nối điện dạng sơ đồ hai hệ thống thanh góp có thanh góp vòng như hình 5. Thiết bị đóng cắt sử dụng loại máy cắt dầu và dao cách ly loại DN. Tác giả đã chọn TBA này để áp dụng kết quả đã nghiên cứu nhằm cải tạo để thực hiện điều khiển và giám sát vận hành bằng máy tính (Computer guide). 131-2 171-2 112-2 112-1 112 100-2 110kV 22kV C11 C19 Hình 5 - Sơ đồ nối điện chính TBA thực tập 55 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 4.2. Xây dựng sơ đồ thuật toán điều khiển và giám sát TBPP điện năng Để thực hiện quá trình điều khiển và giám sát vận hành các thiết bị phân phối (TBPP) điện năng trong TBA tác giả đã khảo sát thực tế sơ đồ nối điện của TBA, nghiên cứu quy trình thao tác hệ thống điện hiện hành [6, 7] để xây dựng sơ đồ thuật toán giám sát vận hành (hình 6), sơ đồ thuật toán khống chế tránh thao tác nhầm (hình 7) và sơ đồ thuật toán tự động điều khiển quá trình thao tác khi cần kiểm tra sửa chữa thiết bị (hình 8). 4.3. Chương trình điều khiển và giám sát TBPP điện năng Trên cơ sở sơ đồ thuật toán đã xây dựng được chương trình ACSTA để điều khiển và giám sát vận hành cho TBA-KĐ. Chương trình có các chức năng sau: - Điều khiển thao tác: Cho phép dùng chuột để thực hiện thao tác các thiết bị đóng cắt (hình 9), khi lệnh thao tác sai thì chương trình sẽ không thực hiện và thông báo lỗi (hình 10). Hình 9: Màn hình ĐK thao tác Hình 10: Màn hình thôn g báo lỗi Hình 6: Thuật toán giám sát vận hành Hình 7 : Thuật toán khống chế thao tác Hình 8: Thuật toán tự động ĐK thao tác Nhận số liệu Bắt đầu Gán g iá t r ị cho biến Tiếp tục S Đ Dừng Hiển thị trạng thái Ki ể m t r a t r ạ n g t h á i s ơ đ ồ Bắt đầu L ệ nh t h ao tác Th ực hi ệ n t h ao tác Báo lỗi Kiểm tra điều kiện răng buộc Tiếp tục S S Đ Đ D ừng Kiểm tra trạng thái sơ đồ Bắt đầu Lệnh thao tác sửa chữa hoặc phục hồi t ự động thiếtbị Thôn g báo Th ự c hi ệ n q u y t Tiếp tục S Đ r ình thao tác Dừng 56 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 - Tự động thao tác: Cho phép thực hiện tự động một phiếu thao tác để sửa chữa thiết bị hoặc xử lý sự cố. - Giám sát vận hành: Nếu được kết nối để thu nhận thông tin trạng thái thực tế của thiết bị trên TBA, chương trình sẽ cho phép giám sát trạng thái sơ đồ trực tiếp trên màn hình máy tính. 4.4. Hệ thống điều khiển và giám sát vận hành TBA-KĐ Qua nghiên cứu ưu nhược điểm của các phương thức truyền dữ liệu kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi cho thấy phương thức truyền thông tin nối tiếp và kết nối qua cổng COM là thích hợp để sử dụng cho công nghệ điều khiển [1,8].ấTc giả sử dụng phương thức trên để xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát vận hành TBA-KĐ như hình 11. Hệ thống T1 được lắp đặt tại TBA cho phép thực hiện điều khiển các thiết bị đóng cắt và giám sát vận hành TBA bằng phần mềm ACSTA trên máy tính. Trạng thái của các thiết bị liên tục được truyền về máy tính theo chu kỳ 3 sec/lần cho phép người vận hành theo dõi trạng thái sơ đồ trực tiếp trên màn hình máy tính. Hệ thống T2 được kết nối với hệ thống T1 qua các thiết bị thu phát thông tin vô tuyến để thực hiện giám sát trạng thái vận hành TBA từ xa. Tác giả sử dụng các máy điện thoại không dây kết nối qua mạng viễn thông điện lực để thu phát tín hiệu. Khi T2 phát lệnh kết nối với T1 thì ĐT2 tự động quay số để kết nối ĐT1. Sau khi kết nối thành công thông tin trạng thái của TBA liên tục được truyền từ MT1 đến MT2 theo chu kỳ 3 sec/lần cho phép người vận hành có thể giám sát trạng thái sơ đồ TBA trực tiếp trên màn hình MT2. Khi có lệnh kết thúc thì ĐT2 cắt kết nối với ĐT1. TBPP TBA thực tập Tầng đệm Bộ AD/DA 5. Kết luận Qua nghiên các bộ truyền động đóng cắt DCL bằng động cơ điện đang sử dụng, tác giả đã tính toán thiết kế chế tạo được bộ truyền động cho DCL loại DN để cải tạo các DCL TBA-KĐ. Trên cơ sở sơ đồ nối điện của TBA, bằng cách sử dụng các thủ tục hiển thị trạng thái thiết bị lên màn hình [2] và các ràng buộc về quy trình thao tác [6,7] đã xây dựng được phần mềm ACSTA kết nối với các thiết bị thu nhận và trao đổi Hình 11 - Sơ đồ khối kết nối để thực hiện điều khiển và giám sát vận hành từ xa qua mạng điện thoại không dây Bộ thu phát thông tin vô tuyến Bộ thu phát thông tin vô tuyến (ĐT2) Máy tính tại phòng điều khiển ở xa TBA ( MT2 ) D1 D1 Máy tính tại phòng điều khiển TBA th ự c t ập 100-1 C12 100 100-9 131-1 T1 171-1 1319 131 131-3 171 171-7 171-9 131-2 171-2 112-2 112-1 112 100-2 C11 110kV 22kV C19 100-1 C12 100 100-9 131-1 T1 171-1 1319 131 131-3 171 171-7 171-9 131-2 171-2 112-2 112-1 112 100-2 110kV 22kV C19 C11 T 2 T 1 57 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 58 thông tin (bộ AD/DA) cho phép thực hiện quá trình điều khiển và giám sát vận hành TBA bằng máy tính. Sử dụng mạng viễn thông điện lực trên các điện thoại không dây cho phép thực hiện giám sát từ xa trạng thái sơ đồ của trạm. Kết quả cho thấy tại phòng điều khiển trung tâm hoàn toàn có thể giám sát nhiều TBA bằng cách kết nối với từng trạm để quan sát trạng thái sơ đồ. Nếu sử dụng bộ thu thập và trao đổi thông tin có cả tín hiệu số lẫn tương tự thì ngoài trạng thái sơ đồ hệ thống còn cho phép theo dõi cả các thông số vận hành như dòng, áp và công suất tiêu thụ của các nhánh phụ tải. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Diên Tập, Đo lường và điều khiển bằng máy tính, NXB KH & KT, Hà Nội, 2006. [2] Ngô Văn Dưỡng, Huỳnh Văn Kỳ, Hạ Đình Trúc, Phạm Văn Kiên, Lê Đình Dương, Mô phỏng và điều khiển các thiết bị phân phối điện năng, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ mã số B2003-III-17. [3] Ngô Văn Dưỡng, Nghiên cứu xây dựng chương trình điều khiển các thiết bị phân phối điện năng bằng máy tính, Tạp chí khoa học và công nghệ số 57, 2006. [4] Trần Ngọc Hoàng, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ điều khiển để cải tạo nâng cấp các trạm biến áp, Luận văn thạc sỹ, Đại học Đà Nẵng, 2007. [5] Công ty truyền tải điện 2, Giới thiệu Hệ thống điện Việt Nam, Đà Nẵng, 2006. [6] Bộ công nghiệp, Quy trình thao tác hệ thống điện quốc gia, Hà Nội, 2007. [7] Tổng công ty điện lực Việt Nam, Quy trình vận hành - sửa chữa máy biên áp, 1998 [8] Jonathan W. Valvano, Embedded Microcomputers: real time interfacing, Hardcover 2006. . TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VẬN HÀNH CÁC TRẠM BIẾN ÁP RESEARCHING. lý vận hành hệ thống [5]. Công nghệ điều khiển hệ thống điện đã bắt đầu được áp dụng ở một số nhà máy điện và các trạm biến áp 220 kV để thực hiện tự động hoá quá trình vận hành. Đối với các. cổng COM là thích hợp để sử dụng cho công nghệ điều khiển [1,8].ấTc giả sử dụng phương thức trên để xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát vận hành TBA-KĐ như hình 11. Hệ thống T1 được lắp đặt