Scada Trong Hệ Thống Điện

[hanamtbxd]

SCADA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.
+ Scada là gì?
Supervisory Control And Data Acquisition
Scada là quá trình thu thập dữ liệu thời gian thực từ các đối tượng để xử lý ,biểu diễn ,lưu trữ,phân tích và có khả năng điều khiển đối tượng này.
+Một Hệ Thống Scada Bao gồm:
+ RTU : Thiết bị đầu cuối từ xa -thực hiện các công việc xử lý và điều khiển ở chế độ thời gian thực.
Khái niệm RTU rất là đa dạng bao gồm cả những cảm biến thu thập thông tin cho đến các bộ phận đa xử lý
+ MTU : Trung tâm điều phối,thực hiện công việc xử lý dữ liệu ở mức cao
+ CS : communication system ,Hệ thống truyền thông

SCADA là một công nghệ rất mới,có ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Tự động hóa điều chỉnh vận hành các hệ thống, nâng cao chất lượng hệ thống, và đương nhiên cũng phải có ứng dụng vào hệ thống điện
Thông tin trong hệ thống điện:

Ngành điện thừa hưởng mọi thành quả trong công nghệ truyền thông và công nghệ thông tin trong việc vận hành điều khiển các đường dây truyền tải, các nhà máy điện. Cùng với sự mở rộng của hệ thống truyền tải, và nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng. Các chức năng quan trọng của hệ thống truyền thông tin trong hệ thống điện có thể kể đến như:
- Thu thập số liệu của các nhà máy điện, thông số của các đường dây truyền tải, các hộ tiêu thụ
- Thông tin liên lạc giữa các nhà máy, các trạm điện khác nhau
- Trao đổi cơ sở dữ liệu giữa các trung tâm điều khiển
- Chỉnh định thông số của hệ thống rơ le bảo vệ
- Tự động sa thải phụ tải dựa trên phân tích hệ thống
- Điều khiển các thiết bị, thường là thiết bị FACTS(Flexible AC transmission systems)

Thông tin trong hệ thống điện có thể đưọc truyền đi bằng cách sử dụng các mạng thông tin sau:
- Mạng điện thoại cố định(Mạng điện thoại cố định có rất lâu trước mạng Internet và người ta đã sử dụng để liên lạc trong hệ thống điện, không tuân theo các chuẩn của Internet hiện nay)
- Mạng điện thoại không dây
- Mạng máy tính, bao gồm các hệ thống mạng LAN, WAN, Internet
Ngoài ba hệ thống thông tin trên, hệ thống truyền thông sử dụng vệ tinh cũng được ứng dụng trong hệ thống điện(chưa phải ở VN). Ứng dụng điển hình nhất của hệ thống thông tin vệ tinh là điều khiển đồng bộ góc pha của các máy phát(synchroniezed phasor measurement) và rơ le so lệch.
Sự phân cấp các chức năng điều khiển và giám sát trong hệ thống điện

SCADA (Supevisory Control and Data Acquisition)- hiểu một cách nôm na là hệ thống điều khiển và thu thập số liệu. Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với một hệ thống công nghiệp bất kỳ. Đối với hệ thống điện, đặc thù của nó là quy mô của hệ thống sản xuất rất lớn, trải trên một không gian rộng, và bao gồm nhiều thiết bị với các chức năng, nguyên lý làm việc khác nhau. Vì vậy, người ta không thể sử dụng một trạm điều khiển trung tâm để đảm nhiệm hết tất cả các chức năng điều khiển. Tuỳ theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng điều khiển, các chức năng điều khiển và thu thập số liệu được phân phối và phân cấp cho các thiết bị khác nhau

Hệ thống SCADA cho HTĐ hợp nhất, với một công ty điện lực chịu trách nhiệm quản lý, có thể được chia thành ba cấp:

- Ở cấp thấp nhất của hệ thống SCADA, là các phần có chức năng theo dõi và điều khiển cho từng thiết bị riêng biệt. Thường gặp nhất trong HTĐ là các rơ le bảo vệ. Khi thiết bị gặp sự cố, các rơle này hoàn toàn có thể tính toán và tác động theo thông số chỉnh định trước mà không cần liên lạc với hệ thống cấp trên. Ngoài chức năng điều khiển, các phần tử thuộc cấp này còn có chức năngthu thập số liệu, thông số của các thiết bị để gửi lên các Substation server. Trong các hệ thống hiện đại, các phần tử này được gọi chung là IED (Intelligent Electronic Devices), có các nguyên lý làm việc và chức năng khác nhau, nhưng có cùng chuẩn giao tiếp, cho phép IED này có thể nói chuyện được với các IED khác trong cùng trạm (peer to peer) và trao đổi với substation server. Về nguyên tắc, sự hỏng hóc hay bảo trì tại một IED sẽ không làm ảnh hưởng đến các IEDkhác trong hệ thống.

- Cấp thứ hai của hệ thống SCADA là các Substation Server, với chức năng chủ yếu là thu thập số liệu từ các IED do nó quản lý, lưu lại trong cơ sở dữ liệu, phục vụ các nhu cầu đọc dữ liệu tại chỗ qua các HMI(Human Machine Interface)

- Cấp thứ ba là Trung tâm điều khiển của toàn hệ thống, nơi thực hiện việc thu thập số liệu từ các Substation Server, thực hiện các chức năng tính toán đánh giá trạng thái của hệ thống, dự báo nhu cầu phụ tải, và thực hiện các chức năng điều khiển quan trọng, như việc phân phối lại công suất phát giữa các nhà máy, lên kế hoạch vận hành của toàn hệ thống.

Do quy mô rộng lớn của hệ thống truyền tải điện năng, các trạm điều khiển trung tâm còn có thể được chia thành các cấp - điều khiển trung tâm (Central control Center hay Central Dispatching Center), và các trạm điều khiển vùng(Area Control Center).

SCADA/EMS

EMS (Energy Management System) là tập hợp các công cụ cho phép người vận hành hệ thống phân tích đánh giá, đưa ra quyết định điều khiển hệ thống. EMS được sử dụng tại các trung tâm điều độ (CCC hoặc ACC tronng bài trước). Vì EMS luôn yêu cầu có một hệ thống số liệu thu thập từ hệ thống, và bản thân nó tham gia như một bộ phận trong SCADA, nên người ta sử dụng thuật ngữ SCADA/EMS.

Tại ACC và CCC, với sự trợ giúp của hệ thống máy tính mạnh, và các phần mềm chuyên dụng, người vận hành thực hiện các chức năng SCADA/EMS, có thể kể ra một số chức năng quan trọng như sau:
- Đánh giá trạng thái hệ thống(SE - Online State Estimation)
- Tính toán trào lưu công suất (LF - Load Flow)
- Tính toán tối ưu trào lưu công suất(OPF - Optimal Load Flow)
- Dự báo phụ tải (LF-Load forecast)
- Đánh giá mức độ an toàn của hệ thống(DSA-Dynamic Security Assesment)
- Xây dựng các chiến lược phục hồi hệ thống khi có sự cố.
Scada và hệ thống điện
________________________________________
ở cấp thấp nhất của hệ thống SCADA/EMS là các IED, có chức năng theo dõi và điều khiển một thiết bị cụ thể. Các IED của một trạm được nối với một thiết bị đầu cuối RTU(Remote Terminal Unit). RTU thu thập toàn bộ các tín hiệu từ các IED trong trạm và gửi về điều độ trung tâm. Như minh hoạ trên hình vẽ, liên lạc giữa RTU và ACC(CCC) có thể sử dụng nhiều phương tiện: Đường điện thoại, cáp truyền tín riêng của ngành điện, sóng vô tuyến, đường dây cáp quang, hoặc sử dụng chính đường dây điện làm đường truyền tin(PLC - Power Line Carrier)

Thông tin trong hệ thống được đưa đến ACC(CCC), và được chia sẻ chung trong mạng LAN của trung tâm điều độ. Các máy chủ được nối vào mạng LAN và thực hiện các chức năng khác nhau: EMS, ghi số liệu, theo dõi hệ thống, huấn luyện người vận hành (dispatcher tranning)(trên số liệu thực tế). Chức năng trainning này rất thú vị vì nó kết hợp giữa hệ thống số liệu thu thập được và một phần mềm mô phỏng toàn bộ hệ thống điện. Khi ấy người được huấn luyện có thể theo dõi trực tiếp trạng thái của hệ thống, và đưa ra các quyết định. Phản ứng của hệ thống sẽ được tính toán nhờ chương trình mô phỏng.

Sơ đồ trên cho ta một hình dung tổng quan về cấu trúc hệ thống thông tin cho SCADA trong hệ thống điện. Tuy nhiên để cho hệ thống này hoạt động một cách hiệu quả là một vấn đề rất phức tạp. Tại các trung tâm ACC và CCC, thường xuyên có hàng chục, hàng trăm ngàn tín hiệu phải được cập nhật thường xuyên. Việc đảm bảo tính chính xác của số liệu thu thập, tốc độ điều khiển trong thời gian thực(hoặc gần với thời gian thực) đòi hỏi không những một hệ thống máy tính đủ mạnh, mà còn có một phương thức trao đổi thông tin hợp lý. Thông tin cần được trao đổi một cách nhanh chóng, tin cậy, và đôi khi là cả bảo mật.

ở cấp thấp nhất của hệ thống SCADA/EMS là các IED, có chức năng theo dõi và điều khiển một thiết bị cụ thể. Các IED của một trạm được nối với một thiết bị đầu cuối RTU(Remote Terminal Unit). RTU thu thập toàn bộ các tín hiệu từ các IED trong trạm và gửi về điều độ trung tâm. Như minh hoạ trên hình vẽ, liên lạc giữa RTU và ACC(CCC) có thể sử dụng nhiều phương tiện: Đường điện thoại, cáp truyền tín riêng của ngành điện, sóng vô tuyến, đường dây cáp quang, hoặc sử dụng chính đường dây điện làm đường truyền tin(PLC - Power Line Carrier)

Thông tin trong hệ thống được đưa đến ACC(CCC), và được chia sẻ chung trong mạng LAN của trung tâm điều độ. Các máy chủ được nối vào mạng LAN và thực hiện các chức năng khác nhau: EMS, ghi số liệu, theo dõi hệ thống, huấn luyện người vận hành (dispatcher tranning)(trên số liệu thực tế). Chức năng trainning này rất thú vị vì nó kết hợp giữa hệ thống số liệu thu thập được và một phần mềm mô phỏng toàn bộ hệ thống điện. Khi ấy người được huấn luyện có thể theo dõi trực tiếp trạng thái của hệ thống, và đưa ra các quyết định. Phản ứng của hệ thống sẽ được tính toán nhờ chương trình mô phỏng.

Sơ đồ trên cho ta một hình dung tổng quan về cấu trúc hệ thống thông tin cho SCADA trong hệ thống điện. Tuy nhiên để cho hệ thống này hoạt động một cách hiệu quả là một vấn đề rất phức tạp. Tại các trung tâm ACC và CCC, thường xuyên có hàng chục, hàng trăm ngàn tín hiệu phải được cập nhật thường xuyên. Việc đảm bảo tính chính xác của số liệu thu thập, tốc độ điều khiển trong thời gian thực(hoặc gần với thời gian thực) đòi hỏi không những một hệ thống máy tính đủ mạnh, mà còn có một phương thức trao đổi thông tin hợp lý. Thông tin cần được trao đổi một cách nhanh chóng, tin cậy, và đôi khi là cả bảo mật.


UCA được xây dựng để tạo một tiếng nói chung nhưng vẫn không can thiệp quá nhiều vào các chuẩn truyền tin sẵn có. Mô hình truyền tin 7 lớp của OSI(dùng trong TCP/IP, Novell, DNP) vẫn được UCA sử dụng. Nơi mà UCA can thiệp chỉ là lớp trên cùng của kiến trúc OSI - Application Layer. Tại lớp này, các nhà sản xuất cần tuân theo các chuẩn sau của UCA:

- MMS(Manufacturing Message Specification), là ngôn ngữ trao đổi ở cấp application layer giữa các thiết bị nhằm thực hiện các chức năng điều khiển và đọc số liệu
- CASM (Common Application Service Model) là phương thức trao đổi thông tin. Nó quy định các bước mà các thiết bị trong hệ thống phải tuân theo để có thể trao đổi với nhau. Hiểu nôm na, đó là trình tự các message MMS được trao đổi phải tuân theo CASM. Các dịch vụ CASM có thể kể đến gồm có các nhóm sau: Truy xuất đối tượng(nhận dạng đối tưọng và đọc số liệu), điều khiển, tạo đối tượng, tạo report, kiểm tra bảo mật.

- GOMSFE(Generic Object Model for Subsation and Feeder Equipment), là cách thức mô tả một đối tượng bất kỳ trong mạng thông tin, bao gồm loại đối tượng, các thông tin của đối tưọng.

Có lẽ cần nói kỹ một chút về GOMSFE. Đây là một tiêu chuẩn mô tả các đối tượng trong hệ thống điện. Trường thông tin mà đối tượng nào cũng phải có là loại đối tưọng (RTU, máy biến áp, Rơ le. tụ bù, .....), tuỳ vào loại đối tượng mà ta có các trường thông tin khác như dòng, áp trên từng pha, tần số .. . Trong tên gọi của thiết bị có chứa thông tin về Domain-vị trí của thiết bị trong hệ thống. Vì vậy các thiết bị giống nhau trong hệ thống vẫn có tên gọi khác nhau. Khả năng phát triển thêm các thiết bị mới là dễ dàng và không gây ra xung đột.

ICCP(Inter Control Center Communications Protocol) là một chuẩn trao đổi thông tin ở lớp application, giống MMS. Tuy nhiên, ICCP phục vụ cho việc trao đổi thông tin giữa các trung tâm điều khiển, chứ không hướng vào các đối tượng như MMS. Vì vậy phương thức trao đổi thông tin trong ICCP không tuân theo CASM, cũng như GOMSFE. Việc sử dụng ICCP có ý nghĩa tương thích về phần mềm hơn là phần cứng thiết bị - các phần mềm của EMS cần tuân theo chuẩn ICCP để có thể trao đổi được số liệu với nhau.

Một câu hỏi đặt ra là tại sao một phương được sử dụng rất rộng rãi và thành công như TCP/IP lại không được tận dụng, mà các nhà SX điện và thiết bị điện lại phải đẻ ra cái UCA. Câu trả lời nằm ở yêu cầu trao đổi số liệu và điều khiển trong thời gian thực: TCP/IP có thể gây ra trễ thời gian lớn do phương thức truyền các bản tin mà nó sử dụng. UCA được xây dựng cho một ứng dụng đặc thù như vậy, chắc chắn là tốt hơn.

[antrung_nguyen]

SCADA trong hệ thống điện sẽ như thế nào?
Theo tôi với các hệ thống rời rạc, process cá biệt và hay thay đổi thì các hệ thống này thường dùng PLC và được lập trình theo yêu cầu của process. Khi dùng SCADA với các hệ thống này ta tốn ít thời gian cho việc configure cho phần communication vì ta có thể chỉ kết nối đến vài loại PLC hoặc controller, nhưng tốn nhiều thời gian cho việc develop các video page dưa trên nền tảng của một SCADA software nào đó (Wonderware, Simplicity, iFix, Citect,...). Do vậy chúng ta chỉ cần chọn một SCADA software hỗ trợ sẵn vài chuẩn communication phù hợp với các PLC&Controller, các tính năng về graphic và thêm một ít tính năng cho user-define (ví dụ VBA, .Net, ...).
Còn đối với hệ thống điện, do đặc tính của các controller của hệ thống là chuyên dụng, dù hãng nào sản xuất thì cũng phải có các tính năng phục vụ cho hệ thống như nhau. Trên một mạng lưới điện cũng sẽ có nhiều nhà cung cấp các controller và rất nhiều các controller, trên các controller này có thể vô tình khi mua lại có rất nhiều communication protocol hoặc giống nhau về protocol nhưng khác nhau về trật tự dữ liệu. Do vậy theo tôi, với một SCADA cho hệ thống điện ta nên chọn SCADA kết nối được với các controller của nhiếu hãng sản xuất thiết bị điện và xây dựng sẵn cho mình các module, function và library cho hệ thống điện thì việc phát triển ứng dụng của hệ thống SCADA thuận lợi cũng như việc tham khảo, hiệu chỉnh sau này dễ dàng.

Với SCADA cho hệ thống điện, công việc chủ yếu của nó là giám sát và lưu trữ; điều phối mạng lưới với sự can thiệp của nhân viên vận hành hoặc dựa trên các module, function đã được cấu hình để thực thi khi SCADA hoạt động. Việc bảo vệ cũng như xử lý sự cố sẽ do các controller thực hiện. Theo tôi, SCADA cho hệ thống điện không khó nhưng để vận hành SCADA cho hệ thống điện thì quả là không đơn giản, yếu tố con người sẽ quyết định khi vận hành hệ thống.
Lợi ích của SCADA
________________________________________
Chào các bạn,

Phần này mình nghĩ nhiều người biết rồi nhưng vì sự sôi động của diễn đàn nên mạn phép viết chút ít vậy.
1, Nếu tất cả mọi thứ chúng ta đều phải vận hành, quan sát, ghi nhận và trao đổi thông tin trực tiếp bởi con người thì thế nào nhỉ? Ok cũng được thôi nhưng sẽ cần rất nhiều người và sai sót cũng sẽ rất lớn. Vậy tại sao chúng ta không đưa ra những cơ chế để các trang thiết bị có thể tự giải quyết vấn đề dựa trên nền tảng các thông số đo đếm của hệ thống và các trang thái - điều kiện mà tri thức của chuyên ngành đã biết. Vậy là ta đã có sự ra đời cùa ngành Tự Động Hóa. (Tôi cũng xin nói thêm một chút, ngành tự động hóa được bắt nguồn từ Cơ Khí và đến nay thì Cơ Khí vẫn là nền tảng cho ngành này, ngành điện chỉ làm cho nó trở nên mềm dẻo - linh hoạt thêm mà thôi. Bạn hãy tưởng tượng nếu không có cơ cấu chấp hành thì bạn sẽ điều khiển cái gì?)
2, Theo thời gian, sự chủ quan của con người cũng như định hướng và cá biệt hóa các sản phẩm của các nhà sản xuất mà ta có rất nhiều dòng sản phẩm về tự động hóa. Do vậy lại xuất hiện thêm một dạng nhà sản xuất nữa về tự động hóa đó là họ tìm hiểu về các quy trình công nghệ và sản xuất ra các thiết bị được xem như là bộ não trong lĩnh vực này (Controller), các thiết bị này là các thiết bị điện (diện tử) thuần túy nhưng vẫn phải phục vụ cho các trang thiết bị cơ khí. Do yêu cầu của sự phát triển, các nhà sản xuất mong muốn sản phẩm của mình phục vụ cho nhiều process khác nhau cũng như có nhiều người sử dụng được sản phẩm của họ mà PLC ra đời. Sự phát triển của thông tin liên lạc và quy mô sản xuất cũng như yêu cầu quản lý của các end-user ngày càng cao nên các controller và các hệ thống PLC có thêm các trang bị về communication và các màn hình giao diện được trang bị thêm giúp cho ngườn vận hành theo dõi thuận tiện hơn. Tuy nhiên, với tốc độ phát triển của kỹ thuật điện tử - máy tính, tốc độ cũng như bộ nhớ ngày nhanh và lớn, quy trình công nghệ ngày càng đòi hỏi về tốc độ và độ chính xác cao (chuyên nghiệp). Một số nhà sản xuất nhận thấy PLC khó đáp ứng được điều này do nó phụ thuộc quá lớn vào người lập trình cho ứng dụng, vậy là họ sản xuất các Controller chuyên dụng cho các process mà họ nắm rõ, với phần lập trình được hỗ trợ tối đa cho người sử dụng từ library của phần mềm dùng để configure cho nó và thế là DCS ra đời. Với DCS, ngoài những thiết bị chuyên dung ví dụ controller cho breaker thì bạn không phải mua library, còn hầu hết đối với các controller khác bạn phải mua library và configuration software riêng.
3, Phần điều khiển như vậy là cũng đã ổn, phần communication cũng đã có, máy tính ngày càng nhiều người tiếp cận và trở nên phổ biến tại các công sở. Vậy tại sao không có một phần mềm có thể cung cấp cho họ tình trạng, dữ liệu liên quan mà họ không cần phải xuống tận từng bộ phận sản xuất và SCADA ra đời từ đó. Ngày nay với xu thế ngày càng phát triển về mạng náy tính, SCADA cũng được phát triển theo và hiện nay bạn không chỉ có thể có được các mạng SCADA trong nhà máy, mà bạn còn có thể có mạng SCADA cho nhiều nhà máy hoặc từ xa thông qua Internet. Hiện nay các SCADA software mạnh đều chạy các ứng dụng trên các dịch vụ mạng rất dễ dàng, cơ chế remote access cũng được tích hợp sẵn hoặc có các module hỗ trợ. Tuy nhiên, do vần đề bảo mật cũng như phá hoại từ bên ngoài nên các hệ thống SCADA thông qua internet còn rất ít, chủ yếu là truy xuất định kỳ hoặc demo là chính.