Tài liệu kỹ thuật

Hệ thống điều khiển và giám sát trạm biến áp

Hệ thống điều khiển và giám sát đảm bảo trạm biến áp hoạt động hiệu quả. Nó hiển thị trạng thái của tất cả các thiết bị, bao gồm cả các cảnh báo và chỉ báo thứ cấp. Hệ thống phải có đầu ra số dùng đóng mở máy cắt, điều chỉnh mức cuộn dây tap máy biến áp, hiển thị các thông số chính như điện áp, dòng và công suất.

Ngoài các chức năng cơ bản, hệ thống điều khiển trạm biến áp còn có chức năng đồng bộ, điều khiển điện áp và công suất kháng, điều khiển tải ngăn sự cố tần số, vận hành an toàn liên động ...

 Thông thường có ba mức giám sát và điều khiển trong hệ thống điều khiển giám sát. Tuy nhiên có thể chỉ sử dụng 2 mức, tùy theo yêu cầu an toàn tại từng trạm.

1. Điều khiển mức ngăn (Bay Control): trong tòa nhà lắp máy cắt (switchyard/switchgear).

2. Điều khiển mức trạm (điều khiển từ sân trạm biến áp).

3. Điều khiển từ trung tâm điều khiển xa.

Việc chuyển quyền điều khiển giữa mức ngăn và mức trạm được thực hiện tại thiết bị điều khiển mức trạm, trên thiết bị trực tiếp. Các quy luật chuyển quyền điều khiển được người dùng thiết lập. Điểm điều khiển trạm là nơi trạm biến áp được chọn điều khiển từ trung tâm hoặc từ sân trạm. Tại các điểm điều khiển sẽ có tín hiệu, cảnh báo và thiết bị điều khiển.

Hiện tại công nghệ số đã tạo ra sự khác biệt giữa giao điện điều khiển người - thiết bị và giao diện người máy HMI dựa trên máy tính. HMI được sử dụng rộng rãi ngày càng nhiều tại trung tâm điều khiển và phòng điều khiển trạm biến áp.

1. Hệ thống điều khiển HMI kiểu cũ

Hệ thống lắp đặt trong phòng điều khiển trạm, bao gồm các công tắc điều khiển, đèn LED và đồng hồ đo. Thiết bị này chỉ dùng khi bảo dưỡng trạm hoặc điều khiển mức trạm hoặc trung tâm điều khiển bị sự cố.

Thiết bị HMI này được tổ chức theo mạch, chỉ đóng mở được thiết bị tại trạm, theo tủ điều khiển.

Hình 1. Ví dụ về phân vùng HMI,

Trạm biến áp được thể hiện bằng sơ đồ mimic, thường là sơ đồ 1 sợi. Mục đích là cung cấp cho nhân viên vận hành cái nhìn tổng thể trạng thái máy cắt. Sơ đồ có thể lắp ráp bằng các tủ điều khiển riêng biệt đặt cạnh nhau.

Thiết bị cảnh báo phải được lắp trên sơ đồ mimic hoặc tủ điều khiển. Khi có cảnh báo, thiết bị phải chớp sáng và có phát tiếng kêu báo động. Bên cạnh có nút cho phép tắt các cảnh báo này, và thiết lập phương thức báo động cho các lần tiếp theo. Tất cả công tắc và bộ điều khiển phải tuân theo tiêu chuẩn IEC 60337 và các tiêu chuẩn hiện hành. Để vận hành máy cắt, nhân viên vận hành phải thực hiện bằng hai thao tác hoặc bằng hai tay. Thiết bị chỉ thị phải tuân theo tiêu chuẩn  IEC 60051.

Bảng HMI kiểu cũ

Hình 2 - Tủ HMI kiểu cũ 

2. HMI Số hóa dựa trên máy tính

Hệ thống HMI này dựa trên hệ thống máy tính phân tán. Các hệ thống như thế này bắt đầu được sử dụng trong trạm biến áp từ những năm 1990. Thiết bị RTU giữ vai trò quan trọng trong việc giao tiếp với thiết bị và truyền dữ liệu đến trung tâm điều khiển. RTU sẽ lấy dữ liệu cả dạng analog và digital, sau đó truyền đến trung tâm điều khiển.

Tùy theo mức độ, các thiết bị sau có trong hệ thống HMI

1. Màn hiển thị 1. Visual display unit (VDU).

2. Bàn phím.

3. Máy in.

4. Plotter.

5. Trackball.

6. Joystick.

7. panel đặc biệt.

8. Chuột.

Các trạm lớn phải có màn hiển thị mimic hoặc thiết bị hiển thị trực quan. Tất cả thiết bị trên đều cần thiết để điều khiển và vận hành trạm (ở mức độ trạm) hoặc lưới điện (ở mức trung tâm điều khiển). Tất cả chế độ vận hành : online, bảo dưỡng, đào tạo, và lập trình đều truy cập được qua bộ điều khiển. Hai hoặc nhiều bộ điều khiển có thể điều khiển cùng lúc "online" trừ khi chúng bị ràng buộc bởi liên động mềm.

Màn hình đồ họa, nhiều màu sắc hoạt động liên tục ngày đêm được sử dụng, Các thông tin hiển thị bao gồm:

1. Các thông tin không thể thay đổi (như sơ đồ 1 sợi).

2. Các thông số vận hành thay đổi.

3. Các thông số thay đổi theo thời gian thực.

Mỗi bảng điều khiển phải có bàn phím vận hành với các phím chức năng chuyên dụng để nhập lệnh. Người vận  hành nhập lệnh, vận hành máy tính và trạm dùng bàn phím. 

Để quản lý trạm dễ dàng hơn, người ta sử dụng màn hình cảm ứng hoặc màn hình đặc biệt với các trạm không có nhân viên trực vận hành liên tục. Điều khiển trạm, chọn trang màn hình, cảnh báo điều khiển được vân hành bằng tay bằng bằng một số phím hoặc nút trên màn hình đặc biệt.

Tất cả các lệnh tác động đến sự vận hành từ HMI bao giờ cũng phải thực hiện qua 2 bước: chọn - kiểm tra- thực thi.

HMI rơ le bảo vệ ABB

Hình 3. HMI bằng màn hình LCD trên rơ le bảo vệ ABB.

3. Trạm biến áp điều khiển bằng máy tính

Để đảm bảo độ ổn định, sẵn sàng hoạt động và dễ bảo trì cần xem xét kỹ tính năng, chủng loại và cấu hình máy tính dùng trong hệ thống thứ cấp trạm biến áp.  

3.1 Máy tính trạm chính (Master Station Computer)

Là máy tính chạy HMI, phải có độ ổn định và tính dự phòng đảm bảo hoạt động liên tục. Khi có sự cố thì hệ thống lập tức chuyển sang chạy trên máy tính dự phòng, đảm bảo hoạt động liên tục.

Máy tính HMi trạm

3.2 Máy tính các hệ thống phụ trợ

Mặc dù ưu tiên độ tin cậy của máy tính các hệ thống phân tán nhưng vẫn chấp nhận có sự cố vì nó chỉ ảnh hưởng đến một phần hoạt động của hệ thống. Máy tính thường được chọn có chất lượng cao, nhưng không cần chạy có dự phòng để tiết kiệm chi phí.

3.3 Truyền thông công nghiệp

Các hệ thống phân tán yêu cầu tính sẵn sàng kết nối truyền thông rất cao. Trong trạm biến áp khuyến cáo nên sủ dụng kênh truyền thông chính (main) và dự phòng (standby). Nếu không có tuyến đường dẫn cáp truyền thông riêng thì phải có biện pháp bảo vệ về mặt cơ học và bảo vệ cách ly điện.

 3.4 Khả năng chịu tải máy tính

Khi trạm biến áp ở trạng thái bình thường, trong phần lớn thời gian vận hành, hệ thống điều khiển máy tính dễ dàng cập nhập dữ liệu đo và hiển thị HMI. Nhưng khi có gián đoạn kết nối, lượng dữ liệu đo xa và yêu cầu xử lý tới HMI sẽ đồng thời tăng vọt. Điều quan trọng nhất là không được để mất mất dữ liệu trong bất kỳ trường hợp nào. 

 4. Điều khiển tại trạm biến áp 

Trước đây, các trạm cao thế thường có nhân viên vận hành tại chỗ giám sát và điều khiển tại trạm. Phòng điều khiển trạm sie thực hiện giám sát và điều khiển qua chức năng điều khiển tại chỗ. 

Hệ thống điều khiển tại chỗ bao gồm hệ thống thu thập dữ liệu  và cơ chế vận hành giao diện người máy HMI. Dữ liệu thu thập bao gồm vị trí và trạng thái máy cắt, dao cách ly và dao nối đất, phụ tải, nhiệt độ và tải máy biến áp, mức điện thế, rơ le và các sự kiện. Thông tin được thể hiện trên màn treo tường dưới sơ đồ mimic (với các thiết bị cũ) hoặc màn hình hiển thị (với các thiết bị số). Phòng điều khiển trạm thực hiện chức năng máy cắt, dao cách ly, điều chỉnh mức điện máy biến áp (tap change) và các thiết bị khác .. hoàn toàn qua màn hình HMI. 

Khi hệ thống điều khiển trạm bị sự cố thì chức năng điều khiển thay thế thực hiện trên tủ điều khiển hoặc nằm trên thiết bị.

5. Điều khiển từ trung tâm điều khiển

Hiện nay các công ty điện lực đều sử dụng các trung tâm điều khiển xa, làm giảm số lượng nhân viên vận hành tại trạm. Việc này sẽ làm giảm chi phí vận hành và nhân công. Hiện nay các trạm biến áp đều theo mô hình không người trực và trung tâm điều khiển xa đảm nhận việc vận hành cho nhiều trạm biến áp.'

Công tác này được thực hiện bởi việc triển khai hệ thống SCADA. Thiết bị RTU thu thập thông tin tại trạm cung cấp cho trung tâm điều khiển, và truyền tải lệnh điều khiển từ trung tâm điều khiển đến thiết bị tại trạm biến áp. Việc phân bổ điện năng và điều hành truyền tải giữa các trung tâm điều khiển được thực hiện bởi trung tâm điều độ. Trung tâm thực hiện việc nhận thông tin từ nhà máy điện, yêu cầu tiêu thụ điện năng từ trung tâm điều khiển và các nguồn cung cấp khác như dự báo độ nắng ... để thực hiện chức năng điều hành.

Hệ thống điều khiển tại chỗ trong trạm biến áp không người trực được giữ lại để dự phòng trong trường hợp có sự cố, hoặc bảo trì mặc dù sẽ có chức năng đơn giản hơn. Hệ thống điều khiển tại chỗ hiện nay bao gồm màn hình hiển thị và bàn phím. Với các chức năng tự động hóa tại trạm như tự động chuyển thanh cái , tự động điều chỉnh máy biến áp và cuộn kháng, dữ liệu truyền về trung tâm điều khiển sẽ giảm đi, làm giảm công việc vận hành tại trung tâm điều khiển.

Thông tin thu thập tại trạm biến áp còn rất quan trọng cho việc bảo dưỡng và theo dõi rơ le bảo vệ, được bàn giao cho các trung tâm khác nhau tùy theo nhu cầu sử dụng.

 6. Kiến trúc hệ thống điều khiển

Khi lựa chọn kiến trúc hệ thống điều khiển thì người ta sẽ căn cứ vào các yếu số sau:

Yếu tố 1: Kích thước và thiết kế trạm biến áp, điện áp tối đa, kế hoạch mở rộng trong tương lai

- Kích thước và diện tích.

- Trong nhà hay ngoài trời.

- Trạm AIS hay GIS.

Yếu tố 2: Kiểu vận hành trạm:

- Có người trực.

- Không người trực.

Hiện nay phần lớn các trạm đều chuyển sang không người trực. Chỉ có một số trạm vẫn có người trực do:

- Theo thói quen vận hành thông thường.

- Lí do kỹ thuật (ví dụ thiết bị cao thế hoặc phần liên lạc điều khiển hoạt động không tốt).

Yếu tố 3: Khả năng tích hợp với thiết bị nhị thứ.

Yếu tố 4: Công nghệ bảo vệ và điều khiển

- Kiểu cũ truyền thống.

- Dùng máy tính.

Yếu tố 5: Tổng chi phí  bao gồm

- Đầu tư.

- Đào tạo, huấn luyện, vận hành.

- Bảo trì.

thêm nữa cần xem xét đến tính sẵn sàng và độ tin cậy của đường truyền và năng lượng tiêu thụ. Những yếu tố này sẽ quyết định việc lựa chọn kiến trúc hệ thống điều khiển và hệ thống bảo vệ liên kết.

7 Dự phòng mở rộng trạm biến áp

Có nhiều lí do phải mở rộng phần nhị thứ trạm biến áp:

-  Phần nhất thứ được bổ sung thêm thiết bị.

- Thay đổi cấu hình trạm biến áp.

- Thay thế thiết bị nhất thứ.

Cần phải dự phòng cả cho hào cáp, ống luồn cáp, chỗ trong tòa nhà điều khiển ... ngay từ khâu thiết kế. Việc này sẽ làm công tác mở rộng sau này dễ dàng.

Nhà điều khiển điển hình phải phân thành 2 khu độc lập có chức năng: bảo trì và vận hành:

1. Khu vực không phụ thuộc quy mô trạm biến áp. Ví dụ khu phục vụ nhân viên vận hành.

2. Khu vực phụ thuộc quy mô trạm biến áp. Ví dụ khu vực chứa rơ le.

Quan trọng nhất khu vực phụ thuộc quy mô trạm biến áp phải có khả năng mở rộng được khi cần.

8. Giảm thiểu các hoạt động không mong muốn trong hệ thống điều khiển

Phần lớn các hoạt động không mong muốn là do nhiễu điện từ. Vì vậy, các công ty điện lực phải áp dụng tiêu chuẩn tương thích nhiễu điện từ EMC cho các thiết bị vận hành trong trạm. Các quy chuẩn quốc tế quy định rõ về yêu cầu tương thích nhiễu điện từ này.

Việc sử dụng cáp sợi quang dùng thông tin liên lạc trong trạm biến áp cũng làm giảm thiểu nhiễu điện từ. Tuy nhiên lại xuất hiện nguy cơ mới và tin tặc tấn công vào thiết bị điều khiển. Nó đã gây sự cố lưới điện tai Ukraine năm 2015 và những quốc gia khác trong 10 năm vừa qua. Vì thế việc đảm bảo an toàn lưới điện qua việc áp dụng tường lửa, data diot ... ngày càng quan trọng.

 9. Khóa liên động

Khóa liên động đảm bảo vận hành an toàn dao cách ly, dao nối đất và máy cắt. Khóa liên động đảm bảo nhân viên vận hành không làm ảnh hưởng đến truyền tải do nhầm lẫn vô tính hay cố ý.

Các bảo vệ trong khóa liên động:

Điều kiện 1: Cơ cấu khóa liên động kết nối dao cách ly và máy cắt để chặn việc đóng hoặc ngắt tải của dao cách ly.

Điều kiện 2:  Cơ cấu khóa liên động giữa dao cách ly và dao nối đất để dao nối đất không thể đóng khi mạch đang có điện.

Điều kiện 3 Cơ cấu liên động cho phép ngắt dao cách ly để bảo dưỡng chỉ khi nối đất hai đầu được đóng.

Điều kiện 4: Cơ cấu liên động đảm bảo kết nối chính xác thanh cái, dao cách ly, dao nối đất khi đóng điện có tải.

Điều kiện 5: Cơ cấu liên động đảm bảo bộ ghép thanh cái chỉ đóng được khi dao cách ly hai phía ở trạng thái đóng (khi vận hành) hoặc mở (khi bảo dưỡng), máy cắt ở trạng thái hoạt động.

Điều kiện 6: Cơ cấu liên động cấm tiếp cận các khu vực trạm biến áp nếu vi phạm khoảng cách an toàn, trừ trường hợp đã thực hiện biện pháp bảo vệ như cô lập hoặc nối đất.

Trong trường hợp dùng thiết bị đóng cắt thì cơ cấu liên động thực hiện bằng điện. Trạng thái khóa liên động phải được tự động kiểm tra trước khi vận hành, bất kỳ việc bắt đầu vận hành được thực hiện bởi con người hay cơ chế tự động.

Ví dụ khóa liên động máy cắt đường dây đến và dao nối đất

Máy cắt đường dây đến  (Q-IL  hoặc Q-IR) và dao nối đất  (E-IL hoặc E-IR) được liên động cơ khí để tránh cả hai đóng cùng lúc. Dao nối đất chỉ đóng được khi máy cắt mở và ở vị trí kiểm tra racked-out. Máy cắt chỉ đóng được khi ở vị trí làm việc racked-in và dao nối đất mở.

Ở đây còn bổ sung thêm liên động. Dao nối đất chỉ vận hành được khi đường dây cấp không có điện, để tránh đóng dao nối đất khi đang có điện cấp.

Khóa liên động máy cắt dao nối đất

Ví dụ Khóa liên động máy cắt dao nối đất.

Khóa liên động vận hành theo 2 cách:

Cách 1 -Vận hành cơ dùng chìa khóa.  Dao nối đất E-IL hoặc E-IR vận hành tay quay sử dụng chìa khóa, sau khi máy cắt mở và ở vị trí kiểm tra.

Cách 2- Bằng điện dùng van điện từ (solenoid). Van điện từ được cấp điện khi máy cắt mở và ở vị trí kiểm tra, cho phép dao nối đất E-IL hoặc E-IR vận hành bằng tay.

Mặc dù đôi khi có thể bỏ khóa liên động trong quá trình vận hành nhưng nên ghi nhớ chỉ dùng cho trường hợp đặc biệt, không được sử dụng thường xuyên. 

Trong trường hợp vận hành chuyển mạch bằng tay, khóa liên động được thực hiện bằng các thiết bị cơ khí hoặc điện. Khóa liên động được thiết kế để xác định trạng thái liên động trước bất kỳ thao tác vận hành nào. Khóa liên động nên cho phép vận hành linh hoạt nhất có thể, không nên áp đặt trình tự vận hành trước trừ khi bắt buộc phải làm vậy.

Khóa phải an toàn không gây nguy hiểm, trừ khi dùng các công cụ đặc biệt để ghi đè lên khóa. Công  cụ ghi đè phải khóa bằng khóa riêng, độc lập với các khóa còn lại. Khóa liên động sẽ hoạt động hiệu quả nếu chuyển mạch hoặc vận hành theo đúng quy trình.

Có một số trường hợp không thể liên động được. Ví dụ như dao nối đất của đường dây đến không thể liên động được với thiết bị đầu xa trừ khi đường dây quá ngắn. Trong những trường hợp này cần phải có nhãn cảnh báo dao nối đất không liên động được.

Các liên động cơ khí được vận hành bằng chìa khóa. Chìa khóa này được thiết kế không cần chìa chính master, có nghĩa là không cần có chìa chính trước khi vận hành chìa khóa tại liên động.

10. Đồng bộ và hệ thống ổn định

Cần phải hòa đồng bộ hệ thống truyền tải để giữ ổn định lưới điện, giảm thiệt hại cho nhà máy và phân chia lưới dễ hơn. Nếu máy cắt trên lưới đóng không đồng bộ sẽ xuất hiện sốc điện máy phát, gây rã lưới hoặc gián đoạn. 

Trong hệ thống truyền tải có hai phương thức đồng bộ được dùng là kiểm tra đồng bộ và đồng bộ hệ thống (xem hình). Kiểm tra đồng bộ khi máy cắt đã đóng lưới điện đã nối. Còn đồng bộ hệ thống là lưới được hòa đồng bộ khi máy cắt đang đóng kết nối hai hệ thống đang không kết nối liên tục.

 Hòa đồng bộ

 Rơ le hòa đồng bộ kết nối và so sánh dòng và điện áp để đồng bộ.

 Để đóng điện đồng bộ cần các điều kiện sau:

1. Máy cắt hai phía phải cùng tần số,  zero slip.

2. Không có sai lệch góc pha điện áp hai đầu máy cắt.

3. Điện áp danh định hai đầu máy cắt có cùng điện áp danh định.

Trong hình dưới, rơ le hòa đồng bộ sẽ kiểm tra các điều kiện trên có nằm trong khoảng sai lệch cho phép không.

Rơ le hòa đồng bộ

  Rơ le hòa đồng bộ kết nối và so sánh dòng và điện áp để đồng bộ.