BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGÔ BÁ HƯNG

NGÔ BÁ HƯNG

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA TRONG NHÀ
MÁY THỦY ĐIỆN SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN IEC61850

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

2015A
Hà Nội – Năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGÔ BÁ HƯNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA TRONG NHÀ MÁY
THỦY ĐIỆN SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN IEC61850

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHẠM QUANG ĐĂNG

Hà Nội – Năm 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống SCADA trong nhà máy thủy
điện sử dụng tiêu chuẩn IEC61850“ là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của Ts. Phạm Quang Đăng. Những kết quả nghiên cứu, các số liệu, hình vẽ,
bảng biểu bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, khơng vi phạm bất cứ điều gì trong
luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về nội dung
trình bày trong luận văn.
Hà Nội, ngày…….tháng…….năm 2016
Tác giả luận văn
Ngô Bá Hưng

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài luận văn thạc sỹ hoàn chỉnh đúng tiến độ, bên cạnh sự nỗ lực cố
gắng của bản than cịn có sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của các Thầy, Cơ cũng như sự
động viên ủng hộ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp trong suốt thời gian học tập nghiên
cứu và thực hiện luận văn thạc sỹ.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ts. Phạm Quang Đăng đã hướng dẫn, chỉ bảo tận
tình, tạo, mọi điều kiện tốt nhất trong quá trình em thực hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Viện Điện và các thầy,cô giáo khoa Điện đã
giảng dạy và quản lý lớp cao hoặc 2015A.

ii



NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA
TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN IEC61850
Trong thị trường cung cấp điện năng hiện nay, thủy điện là phương pháp hiệu quả
nhất để tham gia vào quá trình điều phối điện năng trên lưới. Bằng việc thay đổi lưu
lượng nước qua các cửa van sẽ làm thay đổi công suất phát ra tại mỗi tổ máy trong nhà
máy thủy điện, giúp cho việc phối hợp điều khiển giữa nguồn phát là nhà máy thủy điện
và các phụ tải trở lên dễ dàng hơn,đáp ứng và duy trì sự ổn định lưới điện.
Hiện đại hóa hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện giúp nâng cao chất
lượng điện năng, kéo dài tuổi thọ của các nhà máy, và cải thiện độ tin cậy và tính sẵn
sàng của nhà máy. Tuy nhiên, hiện đại hóa tự động hóa của nhà máy thủy điện khơng
phải khơng có những thách thức.
Một trong những khó khăn thách thức phải kể đến như : Nhiều nhà máy xây dựng
mang tính chất kế thừa, thiếu nhất quán, trong hệ thống tồn tại rất nhiều thế hệ, nhiều
công nghệ sản xuất thiết bị. Một số các nhà máy thủy điện hiện nay đang gặp phải mặc dù
được trang bị một hệ thống điều khiển khá hiện đại. Nhưng lại rất khó khăn trong việc
phối hợp các hệ thống con với nhau bởi lẽ các hệ thống này được cung cấp bởi rất nhiều
các hãng sản xuất khác nhau với các tiêu chuẩn và công nghệ sản xuất khác nhau (hệ
thống điều khiển, bảo vệ tổ máy của Nhật Bản, hệ thống điều khiển Turbine của Trung
Quốc, hệ thống điều khiển máy phát của Việt Nam…). Càng khó khăn hơn, khi nhà máy
nâng cấp thêm một tổ máy với một công nghệ khác sau một thời gian sử dụng. Điều này
gây ra rất nhiều khó khăn trong việc liên lạc giữa các thành phần trong hệ thống cũng như
toàn hệ thống tới trung tâm điều khiển từ xa (trung tâm điều độ điện), các thông tin sẽ
không thể tránh khỏi thiếu sót hay khơng chính xác.
Đặc biệt là bài toán phối hợp vận hành quản lý theo bậc thủy điện trong cùng một lưu
vực. Song song việc quản lý điện năng tại các nhà máy thủy điện nhằm phục vụ nhu cầu
về điện từ phía phụ tải, thì việc phân phối nguồn nước xuống lưu vực hạ du cũng là điều
hết sức quan trọng. Mà trong đó hiện nay các nhà máy thủy điện phần lớn xây dựng trên
cơng nghệ cũ khơng tích hợp hệ thống quan trắc thủy lợi, hoặc một số nhà máy sau này
đã có trang bị hệ thống này, những lại hoạt động hoàn toàn độc lập, điều này là trở ngại

iii


rất lớn cho việc phối hợp giám sát, điều khiển trong nhà máy. Những hệ thống hoạt động
một cách riêng rẽ, thiếu tính nhất quán này trong nhà máy thủy điện là trở ngại lớn cho
việc thu thập dữ liệu đưa về trung tâm để phân tích, đưa ra bài toán quản lý điện năng và
nguồn nước một cách hiệu quả.
Vì vậy nhằm mục đích nâng cao hiệu suất khi vận hành một nhà máy thủy điện bên
cạnh việc thiết kế tối ưu hệ thống điều khiển, thì việc nắm bắt được các trạng thái thông
số vận hành của từng thiết bị trong nhà máy cũng như cách thức kết nối, giao tiếp các
thiết bị này với nhau cũng hết sức quan trọng. Nhằm chuẩn hóa, và tối ưu việc tích hợp
giữa các thiết bị của nhiều nhà sản xuất khác nhau, các tiêu chuẩn đã ra đời như tiêu
chuẩn IEC, IEEE… Việc ứng dụng tiêu chuẩn IEC61850 vào trong các nhà máy thủy
điện, không những giúp cho việc sử dụng phối hợp các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác
nhau và giải pháp tích hợp trở nên linh hoạt, mà cịn giúp việc truyền thơng, liên kết từ
các nhà máy lên trung tâm dễ dàng hơn.
Cụ thể trong luận văn này sẽ làm rõ những ưu điểm của tiêu chuẩn IEC61850, đặc
biệt là IEC61850 – 7 – 410 (đưa ra các LN ( Logical Nodes và các Data Object đại diện
cho từng thành phần và các chức năng cụ thể của chúng trong nhà máy thủy điện),
IEC61850 – 7 – 510 (xây dựng một quy trình phối hợp các LN, tạo ra một mang lưới trao
đổi truyền tải thơng tin khép kín nhằm phục vụ mục đích điều khiển giám sát trong nhà
máy) . Trên cở sở đó tác giả đề đề xuất việc ứng dụng tiêu chuẩn này vào trong các nhà
máy thủy điện, nhằm nâng cao hiệu quả, khắc phục những điểm yếu còn tồn tại.

iv


Mục Lục
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii

Mục Lục ............................................................................................................................... v
Danh mục hình vẽ ............................................................................................................. viii
Danh mục bảng .................................................................................................................. xii
Danh mục các chữ viết tắt ................................................................................................ xiii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ........... 1
1.1

Thành phần của nhà máy thủy điện ....................................................................... 1

1.1.1

Các cơng trình thủy cơng ............................................................................. 3

1.1.2

Hệ thống bên trong nhà máy ....................................................................... 5

1.1.3

Các công đoạn trong nhà máy thủy điện ..................................................... 8

1.1.4

Vận hành tổ máy ........................................................................................ 10

1.2

1.4.1.1

Vận hành các máy phát điện................................................................... 14


1.4.1.2

Vận hành bộ điều tốc .............................................................................. 16

1.4.1.3

Hệ thống kích từ ..................................................................................... 17

1.4.1.4

Hệ thống Relay bảo vệ ........................................................................... 18

Hệ thống giám sát SCADA nhà máy ................................................................... 21

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC – CHỨC NĂNG HỆ THỐNG SCADA TRONG NHÀ MÁY
THỦY ĐIỆN NHỎ ............................................................................................................ 27
2.1

Tổng quan SCADA cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ ..................................... 27

2.1.1

Phân chia hệ thống..................................................................................... 27

2.1.2

Cấu trúc mạng............................................................................................ 28

2.1.3


Dữ liệu ....................................................................................................... 33

2.2

Các tính năng hệ thống SCADA thủy điện cần đáp ứng ..................................... 35

2.3

Yêu cầu về khả năng đáp ứng của một hệ SCADA thủy điện ............................. 36

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO NHÀ
MÁY THỦY ĐIỆN SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN IEC61850 ............................................. 40
v


3.1

Thực trạng hệ thống SCADA trong nhà máy thủy điện nhỏ ở Việt Nam hiện nay
40

3.2

Tiêu chuẩn IEC và khả năng đáp ứng ở Việt Nam .............................................. 42

3.3

Những tiện ích khi ứng dụng tiêu chuẩn IEC61850 vào các nhà máy thủy điện 44

3.4


Tiêu chuẩn IEC61850 .......................................................................................... 47

3.4.1

Tiêu chuẩn IEC61850 và những mơ hình đối tượng. ................................ 47

3.4.2

Tổng quan về khái niệm tiêu chuẩn IEC61850 ......................................... 49

3.4.2.1

Phân tích chức năng ứng dụng và trao đổi thông tin. ............................. 50

3.4.2.2

Mô tả về thông tin của dữ liệu ................................................................ 52

3.4.2.3

Các dịch vụ trao đổi thơng tin ................................................................ 53

3.4.3

Phân tích chức năng ứng dụng và trao đổi thông tin ................................. 54

3.4.4

Quan sát theo hướng ứng dụng .................................................................. 58


3.4.4.1
3.4.5
3.4.5.1
3.4.6

Mơ hình LN và Data ............................................................................... 59
Quan sát theo hướng thiết bị...................................................................... 60
Mơ hình thiết bị ...................................................................................... 60
Quan sát theo hướng trao đổi thông tin ..................................................... 61

3.4.6.1

Mô hình ảo .............................................................................................. 62

3.4.6.2

Cơ chế trao đổi thơng tin cơ bản. ........................................................... 62

3.4.7

Lập ánh xạ ACSI vào hệ thống trao đổi thơng tin thực. ............................ 63

3.4.8

Mơ hình lớp dữ liệu ................................................................................... 64

3.4.9

Thiết lập tên ............................................................................................... 65


3.4.10

Ngôn ngữ SCL (Substation Configuration Language) .............................. 66

3.4.10.1 Mơ hình đối tượng ngơn ngữ SCL. ....................................................... 66
3.4.10.2 Tập tin mô tả file SCL và cấu trúc ngôn ngữ SCL ............................... 67
3.5 IEC61850 phần 7 – 410 truyền thông cho hệ thống điều khiển giám sát trong nhà
máy thủy điện và IEC61850 phần 7 – 510 hướng dẫn và mơ hình hóa các khái niệm . 69
3.5.1
IEC61850 phần 7 – 410 truyền thông cho hệ thống điều khiển giám sát
trong nhà máy thủy điện ............................................................................................ 69
3.5.1.1
3.6

Tóm tắt các nút logic được sử dụng trong các nhà máy thủy điện ......... 70

IEC61850 phần 7 – 510 hướng dẫn và mơ hình hóa các khái niệm .................... 76
vi


3.7

Đề xuất giải pháp ứng dụng tiêu chuẩn IEC61850 vào trong nhà máy thủy điện
83

3.7.1
Phân tích các bước thiết kế hệ thống điều khiển – giám sát trong nhà máy
thủy điện theo tiêu chuẩn IEC61850. ........................................................................ 83
3.7.1.1


Những yêu cầu cho việc xây dựng hệ thống theo IEC61850 ................. 83

3.7.1.2 Những yêu cầu cho việc nâng cấp hệ thống điều khiển giám sát trong
nhà máy thủy điện theo IEC61850. ....................................................................... 84
3.7.1.3

Các bước thực hiện xây dựng nhà máy theo tiêu chuẩn IEC61850. ...... 86

3.8 Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển - giám sát nhà máy thủy điện dựa trên
tiêu chuẩn IEC61850 ..................................................................................................... 87
CHƯƠNG IV: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM
SÁT TRONG NHÀ MÁY ANKROET THEO TIÊU CHUẨN IEC61850 ...................... 89
4.1

Giới thiệu nhà máy ............................................................................................... 89

4.1.1

Các thành phần trong nhà máy .................................................................. 90

4.1.2
Một số hình ảnh hệ SCADA hiện nay đang triển khai trong nhà máy thủy
điện Ankroet .............................................................................................................. 94
4.2

Thiết kế hệ thống sử dụng phần mềm Kalkitech SCL Manager .......................... 96

4.2.1


Giới thiệu Kalkitech SCL Manager (SCLM). ........................................... 96

4.2.2

Tạo Project ................................................................................................. 98

4.2.3

Cấu hình thiết bị cho nhà máy ................................................................... 99

4.2.4

Nhập IED từ Database. ............................................................................ 105

4.2.5

Nhập và xuất file trong SCL Manager. ................................................... 107

ĐÁNH GIÁ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.............................................................................. 108
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 109

vii


Danh mục hình vẽ
Hình 1.1: Tổng quan về các thành phần chính trong nhà máy thủy điện ............................ 1
Hình 1.2: Sơ đồ các tuyến của nhà máy thủy điện .............................................................. 2
Hình 1.3: Sơ đồ phân bố các thiết bị trong nhà máy thủy điện ........................................... 2
Hình 1.4: Cửa nhận nước..................................................................................................... 3
Hình 1.5: Các loại Turbine .................................................................................................. 6

Hình 1.6: Bộ hiển thị hịa..................................................................................................... 9
Hình 1.7: Đồng hồ kỹ thuật số MFM383 ............................................................................ 9
Hình 1.8: Trình tự khởi động tổ máy................................................................................. 10
Hình 1.9: Trình tự dừng tổ máy bình thường .................................................................... 12
Hình 1.10: Dừng máy sự cố............................................................................................... 14
Hình 1.11: Nguyên nhân gây hư hại máy phát .................................................................. 14
Hình 1.12: Hệ thống kích từ tĩnh ....................................................................................... 17
Hình 1.13: Cấu hình cơ bản hệ SCADA trong nhà máy thủy điện ................................... 21
Hình 1.14: Cấu hình hệ SCADA bên trong nhà máy ........................................................ 24
Hình 1.15: Giao diện HMI giám sát thông số và điều khiển chính ................................... 24
Hình 1.16: Giao diện Cảnh báo cho tổ máy ...................................................................... 25
Hình 1.17: Giao diện hiển thị sự kiện trong nhà máy ....................................................... 25
Hình 1.18: Giao diện giám sát trạng thái kết nối các thiết bị trong nhà máy .................... 26
Hình 1.19: Giao diện giám sát thành phần cụ thể từng tổ máy ......................................... 26
Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống SCADA thủy điện hiện đại .................................................. 27
Hình 2.2: Mạng máy tính................................................................................................... 29
Hình 2.3: Mạng LAN......................................................................................................... 30
Hình 2.4: Cấu trúc liên kết mạng hình sao ........................................................................ 31
Hình 2.5: Cấu trúc liên kết mạng dạng mạch vịng ........................................................... 32
Hình 2.6: Cấu trúc liên kết mạng dạng tuyến .................................................................... 33
Hình 2.7: Lưu trữ dữ liệu – lập báo cáo ............................................................................ 35
Hình 3.1: Hệ thống role bảo vệ nhà máy Nậm Má............................................................ 40
Hình 3.2: Hệ thống các tủ điều khiển trong nhà máy Suối Sỉu 2 ...................................... 41
viii


Hình 3.3: Hệ thống tủ điều khiển tổ máy tại nhà máy Suối Tân 1 .................................... 42
Hình 3.4: Sử dụng IEC61850 làm giảm đáng kể việc đi dây ............................................ 45
Hình 3.5: Hệ thống phối hợp điều khiển - giám sát theo bậc thủy điện ............................ 46
Hình 3.6: Các thành phần của tiêu chuẩn IEC61850 ........................................................ 48

Hình 3.7: Mơ hình kết nối “tương đồng” IED giữa các hãng. .......................................... 49
Hình 3.8: Mơ hình cấu trúc liên kết tự động hóa trạm biến áp ......................................... 49
Hình 3.9: Mơ hình tiếp cận tiêu chuẩn IEC61850 ............................................................. 50
Hình 3.10: Mơ tả loại thơng tin trong LN ......................................................................... 51
Hình 3.11: Nguyên tắc hợp thành của khối thiết bị (IED) ................................................ 52
Hình 3.12: Mơ tả dạng cấu trúc về thơng tin vị trí của một máy cắt ................................. 53
Hình 3.13: Mơ hình đoạn trích ngắn của dịch vụ .............................................................. 53
Hình 3.14: Khái niệm quá trình chia nhỏ và hợp thành của một LN ................................ 55
Hình 3.15: Mơ tả thơng tin có cấu trúc hình cây của một XCBR1 ................................... 55
Hình 3.16: Ngun tắc mơ hình đầu vào và đầu ra ........................................................... 56
Hình 3.17: Mơ hình đầu ra................................................................................................. 57
Hình 3.18: Khái niệm mơ hình ngõ ra GSE ...................................................................... 57
Hình 3.19: Thiết lập dữ liệu và báo cáo cho một máy cắt ................................................. 58
Hình 3.20: Mơ hình liên kết trong trạm ............................................................................. 59
Hình 3.21: Logical Nodes và Data .................................................................................... 60
Hình 3.22: Mơ hình kết nối giữa các LN........................................................................... 60
Hình 3.23: Mơ hình thiết bị (LD) ...................................................................................... 60
Hình 3.24: Mơ hình logical Device và LLN0/LPHD ........................................................ 61
Hình 3.25: Phương pháp trao đổi thơng tin ACSI ............................................................. 61
Hình 3.26: Mơ hình ảo ....................................................................................................... 62
Hình 3.27: Áp dụng cho mơ hình GSE.............................................................................. 63
Hình 3.28: Ánh xạ ACSI vào lớp trao đổi thơng tin ......................................................... 64
Hình 3.29: Mơ hình tóm tắt dữ liệu trong IEC61850 – 7 – X. .......................................... 65
Hình 3.30: Mơ hình tên tham khảo trong tiêu chuẩn......................................................... 65
Hình 3.31: Mơ hình định nghĩa tên của thiết bị máy cắt ................................................... 66
ix


Hình 3.32: Mơ hình trao đổi thơng tin của các thiết bị điện tử thơng minh ...................... 67
Hình 3.33: Cấu hình thiết bị dựa trên ngơn ngữ SCL ....................................................... 67

Hình 3.34: Mạng lưới kết nối đơn giản giữa các thiết bị IED trong nhà máy [7] ............. 78
Hình 3.35: Sơ đồ khối thể hiện việc tương tác giữa các Logical Divices và Logical Nodes
[7]....................................................................................................................................... 78
Hình 3.36: Phối hợp điều khiển mở cánh hướng ............................................................... 80
Hình 3.37: Hàm tối ưu tốc độ ............................................................................................ 80
Hình 3.38: Cấu trúc điều chỉnh điện áp máy phát truyền thống ........................................ 81
Hình 3.39: Cấu trúc mới khi sử dụng tiêu chuẩn IEC61850 ............................................. 81
Hình 3.40: Các file mô tả thiết bị dưới dạng ngôn ngữ SCL ............................................ 82
Hình 3.41: Các bước thiết kế hệ thống điều khiển – giám sát nhà máy thủy điện dựa trên
tiêu chuẩn IEC61850 ......................................................................................................... 87
Hình 4.1: Sơ đồ một sợi nhà máy thủy điện Ankroet ........................................................ 89
Hình 4.2: Màn hình giám sát chính trong hệ SCADA tại nhà máy................................... 94
Hình 4.3: Giám sát trạng thái kết nối các thiết bị trong nhà máy thủy điện Ankroet ....... 95
Hình 4.4: Giao diện cảnh báo giám sát các tín hiệu lỗi và sự cố trong nhà máy .............. 95
Hình 4.5: Giao diện giám sát và cài đặt thơng số nhà van ................................................ 96
Hình 4.6: Trang bắt đầu của SCL Manager ....................................................................... 98
Hình 4.7: Chọn kiểu Project cho thủy điện ....................................................................... 98
Hình 4.8: Thêm IED từ cửa sổ Project Explorer ............................................................... 99
Hình 4.9: Những tùy chọn để thêm IED............................................................................ 99
Hình 4.10: Chi tiết về điểm truy cập cho IED ................................................................. 100
Hình 4.11: Chọn kiểu chức năng cho IED – chức năng dùng cho thủy điện .................. 100
Hình 4.12: Lựa chọn chức năng cho Đập thủy điện ........................................................ 101
Hình 4.13: Lựa chọn các thành phần trong nhà máy....................................................... 101
Hình 4.14: Thêm chức năng cho IED của Đập ............................................................... 102
Hình 4.15: Lựa chọn chức năng Hydropower dam ......................................................... 102
Hình 4.16: Kết quả sau khi thêm chức năng cho IED ..................................................... 103
Hình 4.17: Lựa chọn chức năng giám sát cho máy biến áp............................................. 103
x



Hình 4.18: Các chức năng vào thuộc tính sau khi cấu hình xong ................................... 104
Hình 4.19: Thêm vào IED dịch vụ GSE .......................................................................... 104
Hình 4.20: Thiếp lập các tính năng dịch vụ GSE ............................................................ 105
Hình 4.21: Chọn IED từ cơ sở dữ liệu ............................................................................. 105
Hình 4.22: Bảng mơ tả chi tiết của IED SEL_ 311L ....................................................... 106
Hình 4.23: Mơ tả tính năng của SEL_331L .................................................................... 106
Hình 4.24: Xuất file SCL (file SSD, file SSD hay file ICD) .......................................... 107

xi


Danh mục bảng
Bảng 1.1 : Phân chia kiến trúc hệ thống điều khiển .......................................................... 28
Bảng 3.1 : Các nhóm nút logic (LN) ................................................................................. 69
Bảng 3.2: Chú giải ............................................................................................................. 70
Bảng 3.3: Nút logic cho các chức năng tự động................................................................ 70
Bảng 3.4: Những nút logic đại diện cho các khối chức năng ............................................ 70
Bảng 3.5: Các nút logic cụ thể trong nhà máy thủy điện .................................................. 71
Bảng 3.6: Gồm các nút logic cho giao diện và lưu trữ ...................................................... 72
Bảng 3.7: Nút logic cho phần cơ khí và các thiết bị khơng điện chính ............................. 72
Bảng 3.8: Nút logic cho chức năng bảo vệ ........................................................................ 72
Bảng 3.9: Nút logic cho các chức năng bảo vệ liên quan.................................................. 72
Bảng 3.10: Những nút logic cho chức năng theo dõi và giám sát ..................................... 72
Bảng 3.11: Nút logic cho thiết bị chuyển mạch ................................................................ 73
Bảng 3.12: Nút logic HDAM – Đập thủy điện .................................................................. 73
Bảng 3.13: Nút logic HRES – Thủy điện/ Hồ chứa nước ................................................. 74
Bảng 3.14: Nút logic HGTE – Cửa đập ............................................................................ 74
Bảng 3.15: Nút logic HTUR – Turbine ............................................................................. 75
Bảng 3.16: Nút logic HVLV – Van ................................................................................... 76
Bảng 3.17: Một số thiết bị điện tử thông minh (IED) sử dụng trong nhà máy thủy điện

nhỏ ..................................................................................................................................... 77
Bảng 4.1: Thông số Turbine trong nhà máy thủy điện Ankroet........................................ 90
Bảng 4.2: Thông số các máy phát trong nhà máy thủy điện Ankroet ............................... 91
Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật của bộ điều tốc trong nhà máy thủy điện Ankroet .............. 92
Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật máy biến áp kích từ ............................................................. 93
Bảng 4.5: Thơng số kỹ thuật hệ thống kích từ .................................................................. 93
Bảng 24: Danh sách các thiết bị và cấu hình LN của chúng ............................................. 97

xii


Danh mục các chữ viết tắt

LN

Logical Node

LD

Logical Device

IED

Intelligent Electronic Device

CMMS

Computerized Maintenance Management Systems

RTU


Remote Terminal Unit

ACSI

Abstract Communication Service Interface

SCSM

Specific communication service mapping

MMS

Manufacturing Message Specification

GOOSE

Generic Object Oriented Substation Event

SMV

Sampled Measured Values

GSE

Generic Substation Events

DER

Distributed Energy Resources


EPS

Electric Power System

xiii


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
1.1 Thành phần của nhà máy thủy điện

Hình 1.1: Tổng quan về các thành phần chính trong nhà máy thủy điện
Nhà máy thuỷ điện hoạt động dựa trên nguyên lý rất đơn giản, nước trên các sông,
các suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang theo một nguồn năng lượng. Để
tập trung nguồn năng lượng người ta dùng hệ thống đập tạo nên cột cao áp tức là độ
chênh cột áp trước đập và sau đập. Nước được buồng dẫn đưa đến bánh xe công tác. Do
tác dụng của áp lực nước lên cánh bánh xe công tác làm cho trục Turbine quay. Trục
Turbine nối liền với trục Roto máy phát làm trục Roto quay. Roto được cung cấp nguồn
tự kích ban đầu nên có dòng điện chạy qua sẽ cảm ứng sang Stato sẽ phát điện, cung cấp
điện tới các trạm phân phối điện thông quan hệ thống máy biến áp. Các thành phần cơ
bản trong một nhà máy thủy điện bao gồm hệ thống thủy công như : Hồ chứa nước, đập

1


thủy điện, cửa nhận nước, ống dẫn nước, bể điều áp và những hệ thống động lực, thiết bị
cơ khí, thiết bị điện.
Nhà máy thủy điện là một tổ hợp phức tạp, sử dụng năng lượng của sông suối, để
sản xuất điện năng bao gồm 3 tuyến :
-


Tuyến áp lực (tuyến đầu mối)

-

Tuyến năng lượng

-

Tuyến hạ lưu

Hình 1.2: Sơ đồ các tuyến của nhà máy thủy điện

Hình 1.3: Sơ đồ phân bố các thiết bị trong nhà máy thủy điện
1. Cửa nhận nước

7. Máy phát

2. Hầm dẫn nước

8. Hệ thống kích từ

3. Bình tạo áp lực

9. Hệ thống dầu áp lực và điều tốc

4. Nhà van

10. Hệ thống nước làm mát


5. Ống áp lực

11. Ống xả

6. Turbine

12. Cửa hạ lưu
2


1.1.1 Các cơng trình thủy cơng
Hồ chứa : Hồ chứa nhằm mục đích trữ nước vào mùa mưa và tăng lưu lượng vào
mùa khơ, với nhiệm vụ điều hóa dịng chảy theo thời gian ( giảm sự khác biệt về lưu
lượng giữa mùa mưa và mùa khơ).

Ví dụ: Thơng số Hồ Dakia – Hồ chứa nước của thủy điện Ankroet.

Cửa nhận nước : Cửa nhận nước là cửa quan trọng của nhà máy thủy điện, nó là cửa
ngõ khi vào nhà máy. Tại đây dòng nước được lọc rác bằng lưới chắn rác, sau đó được
dẫn vào Turbine . Dịng nước này được điều chỉnh bởi cửa sửa chữa và cửa vận hành.
Như vậy cửa nhận nước đã thực hiện một điều chỉnh trong toàn bộ hệ thống của nhà máy.

Hình 1.4: Cửa nhận nước
3


Trong đó:
-

Cẩu trục chân đê: Nhiệm vụ điều khiển gầu cào rác, nâng hạ gầu cào rác và di

chuyển tới nơi thải rác. Bên cạnh đó, nó cịn thực hiện việc nâng hạ lưới chắn rác
phục vụ cho việc tu sửa lưới chắn rác.

-

Gầu cào rác: Để vớt rác ra khỏi lưới rác và vận chuyển tới nơi thải rác từ lưới chắn
rác thu gom được. Xi lanh thủy lực nâng hạ : Nhiệm vụ nâng hạ cửa vận hành.

-

Ổ hướng: Nhiệm vụ định hướng cho trục của xilanh thủy lực đúng hướng vì trục của
xilanh dài.

-

Lưới chắn rác: Ngăn các vật trơi theo dịng nước khơng cho vào trong đường ống áp
lực để không gây sự cố cho tổ máy.

-

Cửa sửa chữa: Có nhiệm vụ đóng nhanh cửa nhận nước vào Turbine , bảo vệ
Turbine khi có sự cố. Thường đóng trong trường hợp nước tĩnh để khơng gây chấn
động. Tuy nhiên trong trường hợp cần đóng nhanh khi dịng chảy lớn vẫn phải đảm
bảo an tồn.

-

Cửa vận hành: Nó được điều chỉnh bởi xilanh thủy lực chính và được thiết kế dùng
trọng lượng đóng lại ở điều kiện dịng khơng bình thường.
Đập dâng : Đập dâng là cơng trình thủy cơng được xây dựng có nhằm mục đích :


Đổi hướng dịng chảy, nâng cao mực nước… Ngồi ra cịn có một số chức năng như :
Điều hịa dịng chảy, giảm lưu lượng đỉnh lũ hay tăng cường lưu lượng mùa kiệt…

Ví dụ: Thơng số đập dâng của nhà máy thủy điện Ankroet.

Đập tràn : Là kiến trúc ngăn một dịng khơng áp làm cho dịng đó chảy tràn qua đỉnh.

4


Ví dụ: Thơng số Đập tràn của nhà máy thủy điện Ankroet

1.1.2 Hệ thống bên trong nhà máy
Các số liệu chính của tổ máy: Bao gồm các thơng số của Turbine , Máy phát, hệ
thống điều tốc, kích từ… Ví dụ:

5


Ví dụ: Các thơng số của tổ máy H1 và H2 trong nhà máy thủy điện Ankroet

Thiết bị động lực bao gồm Turbine và Máy phát. Các bộ phận cơ bản của
Turbine là buồng dẫn nước vào, phần cơ khí thuỷ lực, bộ phận tháo nước, hệ thống
điều khiển. Phụ thuộc vào cột nước mà nhà máy sử dụng mà Turbine có thể là: cánh
quay, tâm trục hay Turbine gáo.
Turbine : Turbine nước là một trong các thiết bị quan trọng nhất của nhà máy thủy điện,
nhiệm vụ chính là chuyển đổi thủy năng thành cơ năng làm quay rôto máy phát và sinh ra
điện năng. Các thành phần của turbin bao gồm van by-pass, ống nước vào turbin, ống xả
nước, buồng xoắn, hệ thống truyền động và một số thiết bị khác.


Hình 1.5: Các loại Turbine

6


Máy Phát: Máy phát điện là động cơ biến cơ năng của Turbine thành điện năng cung
cấp cho hệ thống điện. Máy phát thuỷ điện về nguyên tắc là máy phát thuỷ điện đồng bộ
ba pha, các bộ phận chủ yếu của nó bao gồm Roto nối với trục Turbine. Roto là nhiệm vụ
tạo nên từ trường quay làm xuất hiện dòng điện xoay chiều trong các cuộn dây trong các
ổ cực của Stator máy phát. Để đảm bảo tần số điện lưới khơng đổi, đạt tiêu chuẩn 50Hz
thì u cầu Rotor máy phát quay với tốc độ không đổi khi có phụ tải và bằng tốc độ quay
đồng bộ. Ngoài hai bộ phận chủ yếu là Rotor và Stator máy phát cịn hệ thống khác như
hệ thống kích từ, hệ thống làm mát máy, hệ thống bảo vệ, hệ thống phanh hãm tổ máy.
Hệ thống van: Các van trên đường ống dẫn nước trong nhà máy thủy điện có thể là
van bướn hoặc van cầu. Van bao gồm thân van, đĩa, đối trọng, hệ thống thủy lực, hộp
điều khiển thủy lực, hộp điều khiển điện và một số bộ phận khác.
Ví dụ: thơng số kỹ thuật van bướm trong nhà máy thủy điện Ankroet

Máy biến áp chính: Nhằm nâng cao điện áp tải điện đi xa. Phụ thuộc vào trạm thuỷ
điện cung cấp mà điện áp cao thế máy biến áp có thể là 35, 110, 220, 500kV hoặc cao
hơn. Máy biến áp chính về nguyên tắc được bố trí ngồi trời, chúng địi hỏi việc làm mát
bằng khơng khí hoặc bằng nước.
Hệ thống điện tự dùng: Phục vụ sản suất của bản thân trạm thuỷ điện chiếm khoảng
0.2 – 1.0% điện năng sản suất. Các bộ phận tự dùng được chia thành ba loại: Loại không
cho phép mất điện khi làm việc, loại cho phép mất điện tạm thời trong một thời gian
ngắn, loại cho phép mất điện trong một thời gian nhất định. Hệ thống điện dùng tuỳ theo
loại mà sử dụng điện áp từ 220V – 110V.
Hệ thống đo lường bảo vệ : Hệ thống này cung cấp những thơng tin về tình trạng làm
việc khơng bình thường của máy phát và tự động hồn tồn việc dừng khẩn cấp khi các

7


thông số kỹ thuật vượt quá giá trị giới hạn. Hệ thống này bao gồm các mạch bảo vệ bằng
tín hiệu (âm thanh, ánh sáng). Hệ thống cảnh báo sẽ làm việc khi có sự sai lệch so với chế
độ làm việc bình thường của một bộ phận nào đó của tổ máy, còn tải sự cố chỉ trong
trường hợp các chỉ số kỹ thuật vượt quá giá trị giới hạn.
Hệ thống điều khiển công suất
Điều chỉnh công suất tác dụng nhà máy thuỷ điện

a.

Điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát chính là điều chỉnh lượng cơng suất điện
từ của máy phát điện phát vào lưới. Bản chất của việc điều chỉnh công suất tác dụng của
máy phát chính là điều chỉnh tần số hay tốc độ của máy phát. Khi tải tăng để tần số ổn
định thì khi đó hệ thống điện sẽ phải tăng cơng suất tác dụng tức là tăng lưu lượng nước
chảy vào Turbine.
b. Hệ điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện

Điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện chính là điều chỉnh giá trị điện
áp ra máy phát. Khi phát ra càng lớn cơng suất phản kháng thì U càng giảm muốn ổn
định điện áp U thì khi đó bộ điều chỉnh hệ thống kích thích sẽ tác động làm tăng dịng
kích từ (Ikt1 đến Ikt2).
Các hệ thống khác: Hệ thống phanh hãm, hệ thống nước kỹ thuật, hệ thống khí nén.
1.1.3 Các cơng đoạn trong nhà máy thủy điện
Điều kiện tiêu chuẩn để tổ máy hòa lưới là các sai lệch:
-

Δf< 0.5Hz


-

ΔU< 10%

-

Và góc lệch pha ρ< 30⁰

Tuy nhiên, các điều kiện có thể được thắt chặt hơn nhằm mục đích hịa lưới dễ dàng hơn
và ít dao động hơn, thơng thường ta có thể cài đặt cho bộ hịa tự động với thơng số như
sau:

8


-

Δf< 0.3Hz

-

ΔU< 5%

-

Và góc lệch pha ρ< 10

Hình 1.6: Bộ hiển thị hòa
Ngay khi tổ máy hòa lưới, tiến hành điều chỉnh công suất tác dụng (kW) và công suất vô
công (kVar) theo yêu cầu của điều độ điện chỉ định.

Sau khi hòa lưới, các chức năng tăng và giảm điều tốc và kích từ tương ứng với chức
năng điều chỉnh công suất tác dụng (kW) và công suất vô công (kVar). Giá trị công suất
tác dụng (kW) và công suất vô công (kVar) được hiển thị trên đồng hồ kỹ thuật số.

Hình 1.7: Đồng hồ kỹ thuật số MFM383
Trong q trình hịa lưới, khi sai lệch giữa tổ máy và lưới chưa đạt các yêu cầu trên,
người vận hành có thể thao tác như sau:
Tăng giảm điều tốc bằng cách vặn chuyển mạch “ĐIỀU TỐC” sang vị trí “TĂNG” hoặc
“GIẢM” để giá trị tần số bám sát tần số lưới.
Bấm nút “Increase” hoặc “Decrease” trên bộ điều khiển kích từ hoặc vặn chuyển mạch
“KÍCH TỪ” sang vị trí “TĂNG” hoặc “GIẢM” để điều chỉnh điện áp phát ra.
Tăng giảm điều tốc bằng cách vặn chuyển mạch “ĐIỀU TỐC” sang vị trí “TĂNG” hoặc
“GIẢM” để đạt được cơng suất tác dụng (kW) mong muốn.

9


Bấm nút “Increase” hoặc “Decrease” trên bộ điều khiển kích từ hoặc vặn chuyển mạch
“KÍCH TỪ” sang vị trí “TĂNG” hoặc “GIẢM” để điều chỉnh công suất vô công(kVar)
mong muốn.
Nhằm an tồn trong q trình khởi động tổ máy, nối lưới thành công, giảm thiểu tối đa
những sự cố trong q trình khởi động vận hành ta cần có quy trình và các cơng tác kiểm
tra.
1.1.4 Vận hành tổ máy
a. Khởi động tổ máy
Căn cứ theo tiêu chuẩn, quy trình khởi động của tổ máy thủy điện bao gồm các bước
được thể hiện như trong hình sau:

Hình 1.8: Trình tự khởi động tổ máy


10