..

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 4
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. 6
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................. Error! Bookmark not defined.
Chương 1: MỞ ĐẦU ................................................................................................. 8
1.1

Đặt vấn đề .....................................................................................................8

1.2

Mục tiêu đề tài..............................................................................................9

1.3

Nội dung thực hiện ......................................................................................9

1.4

Phương pháp nghiêm cứu ...........................................................................9

1.5

Bố cục của luận văn .....................................................................................9

Chương 2: THỰC TRẠNG VÀ GIẢI PHÁP CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN NHỎ TẠI VIỆT NAM....................... 11
2.1

Các thành phần trong nhà máy thủy điện...............................................11

2.1.1 Turbine thuỷ lực .......................................................................................11
2.1.2 Máy phát thuỷ điện ..................................................................................11
2.1.3 Các thiết bị cơ khí trong nhà máy thuỷ điện............................................12
2.1.4 Thiết bị điện .............................................................................................12
2.2

Thực trạng hệ thống điều khiển và giám sát nhà máy thủy điện nhỏ

của Việt Nam ........................................................................................................13
2.3

Giải pháp cho hệ thống điều khiển giám sát nhà máy thủy điện nhỏ...16

Chương 3: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN - GIÁM SÁT NHÀ MÁY
THỦY ĐIỆN NHỎ THEO TIÊU CHUẨN IEC ................................................... 19
3.1

Các tính năng hệ thống điều khiển và giám sát cần đáp ứng ................20

3.1.1 Chức năng điều khiển ..............................................................................20
3.1.2 Chức năng thu thập và giám sát dữ liệu ..................................................31
3.1.3 Chức năng tạo báo cáo ............................................................................35
3.1.4 Chức năng hỗ trợ quản lý bảo trì ............................................................36
3.1.5 Chức năng chuẩn đốn và xử lý báo động ..............................................37

-1-



3.2

Cấu trúc hệ thống, truyền thông và cơ sở dữ liệu ..................................37

3.2.1 Phân chia hệ thống ..................................................................................37
3.2.2 Cấu trúc mạng .........................................................................................39
Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT CHO NHÀ
MÁY THUY ĐIỆN TẮT NGOẴNG – SƠN LA .................................................. 47
4.1

Giới thiệu chung về nhà máy ....................................................................48

4.2

Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát ................................................48

4.2.1 Các chức năng chính ...............................................................................48
4.2.2 Cấu trúc hệ thống ....................................................................................49
4.2.3 Phương thức điều khiển ...........................................................................51
4.3

Chi tiết đầu vào ra vào ra .........................................................................60

4.4

Thiết lập các liên kết chính trong hệ thống điều khiển ..........................60

4.4.1 Sơ đồ điều khiển chung cho toàn bộ nhà máy .........................................60
4.4.2 Kết nối từ PLC đến rơle số và công tơ số tại trạm điều khiển tổ máy ....62
4.4.3 Thiết lập mạng nội bộ LAN – kết nối các IED trong trạm ......................62

4.4.4 Giải pháp kết nối nhà máy tới trung tâm điều độ ....................................63
4.5

Giới thiệu phần mềm điều khiển và giám sát trên máy tính SCADA. .64

Chương 5: KẾT LUẬN ........................................................................................... 67
5.1

Kết quả của đề tài ......................................................................................67

5.2

Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................67

5.3

Khả năng mở rộng .....................................................................................68

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 69
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 70

-2-


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn hành bài luận văn này, tác giả ln ghi nhận và tỏ lịng biết ơn sâu
sắc đến toàn thể mọi người.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS
Hoàng Minh Sơn, người đã giúp đỡ rất nhiệt tình và kịp thời về mặt chun mơn

cho tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn. Bên cạnh đấy, tác giả cũng bày tỏ
lịng biết ơn đến tập thể các thầy cơ trong Bộ môn Điều khiển Tự động – Trường đại
học Bách khoa Hà Nội, những người đã truyền đạt kiến thức cơ sở quý báu và cần
thiết để giúp tôi có đầy đủ kiến thức hồn thành luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện thủy điện và Năng
lượng tái tạo và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên trong thời
gian nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Xin cảm ơn ban lãnh đạo các nhà máy thủy điện: Nậm Má – Hà Giang, Suối
Sỉu – Hà Giang, Suối Tân – Sơn La đã tạo điều kiện cho tôi được khảo sát và giúp
cho tơi có được những kinh nghiệm quý báu.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, vợ và con, những người đã luôn luôn bên
cạnh động viên tinh thần và giúp đỡ rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn.
Và cuối cùng xin chân thành cảm ơn đến các bạn lớp Điều khiển & Tự động
hóa – 2011B đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận
văn tốt nghiệp.
Xin gửi lời chúc sức khỏe đến tất cả mọi người!
Hà Nội, tháng 9 năm 2013
Vũ Tuấn Anh

-3-


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Vũ Tuấn Anh
Sinh ngày 10 tháng 9 năng 2013
Học viên lớp cao học Điều khiển và Tự động hóa – Khóa 2011B – Trường
đại học Bách khoa Hà Nội
Tôi xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển, giám sát
nhà máy thủy điện nhỏ” do thầy giáo, PGS.TS Hoàng Minh Sơn hướng dẫn là cơng
trình của riêng tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề
cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của
luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Học Viên

Vũ Tuấn Anh

-4-


DANH MỤC CÁC CHỮ
VIẾT TẮT
IEC

International Electrochemical Commission

SCADA

Supervisory Control And Data Acquisition

LAN

Local Area Network

WAN

Wide Area Network

GAN


Global Erea Network

MAN

Metropolitan Area Network

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

CPU

Central Processing Unit

HMI

Human Machine Interface

CT

Current Transformer

VT

Voltage Transformer

NO

Normally Open


CMMS

Computerized Maintenance Management Systems

RTU

Remote Terminal Unit

PLC

Programmable Logic Controller

NIC

Network Interface Card

IED

ntelligent Electronic Device

EMS

Energy Management System

OSI

Open Systems Interconnection Reference Model

TCP/IP


transmission control protocol / internet protocol

MMS

manufacturing message specification

CDC

Common Data Class

SPS

Single Point Status

HTĐ

Hệ thống điện

MBA

Máy biến áp

NMTĐ

Nhà máy thủy điện

-5-


DANH MỤC BẢNG

Bảng 3- 1: Phân loại điều khiển trong nhà máy thủy điện nhỏ ...................................... 20
Bảng 3- 2: Phân chia kiến trúc hệ thống điều khiển .......................................................... 38
Bảng PL3- 1: Tổ chức vùng nhớ trong modbus ................................................................. 79
Bảng PL5- 1: Phương thức truyền dẫn không đối xứng ...........................................93
Bảng PL5- 2: Phương thức truyền dẫn chênh lệch đối xứng ....................................94
Bảng PL5- 3: Sự kết nối giữa các lớp thông tin và các chuẩn ..................................97
Bảng PL5- 4: Cấu trúc bức điện ................................................................................98
Bảng PL5- 5: Giới thiệu về các loại dữ liệu và các vùng địa chỉ ..............................99

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2- 1: Hệ thống rơle le bảo vệ nhà máy Nậm Má ..............................................14
Hình 2- 2: Hệ thống các tủ điều khiển trong nhà máy Suối Sỉu 2 ............................15
Hình 2- 3: Hệ thống tủ điều khiển tổ máy NMTĐ Suối Tân ....................................16
Hình 3- 1: Sắp xếp thứ tự điều khiển trong nhà máy thủy điện nhỏ .........................21
Hình 3- 2: Cấu hình trạm điều khiển cục bộ .............................................................22
Hình 3- 3: Trinh tự khởi động tổ máy. .....................................................................24
Hình 3- 4: Trình tự dừng tổ máy bình thường ..........................................................25
Hình 3- 5: Trình tự dừng khẩn cấp tổ máy................................................................26
Hình 3- 6: Cấp điều khiển trong nhà máy .................................................................28
Hình 3- 7: Mạng máy tính .........................................................................................39
Hình 3- 8: Mạng LAN và đường truyền dữ liệu đa điểm .........................................42
Hình 3- 9: Cấu trúc liên kết dạng sao ........................................................................44
Hình 3- 10: Cấu trúc liên kết dạng vịng ...................................................................45
Hình 3- 11: Cấu trúc liên kết dạng tuyến ..................................................................46
Hình 4- 1: Cấu trúc hệ thống điều khiển của nhà máy..............................................49
Hình 4- 2:Sơ đồ điều khiển cho toàn nhà máy ..........................................................61

-6-



Hình 4- 3: Giao diện điều khiển giám sát cho NMTĐ Tắt Ngoẵng sử dụng phần
mềm IWS Ver7.1 ......................................................................................................65
Hình 4- 4: Giao diện sát điều khiển trạm đưa ra bởi ABB (tham khảo) ...................65
Hình 4- 5: Giao diện sát điều khiển trạm đưa ra bởi Siemens(tham khảo)...............66
Hình PL3- 2: Chu trình yêu cầu - đáp ứng ................................................................76
Hình PL3- 3: Cấu trúc đoạn tin trong giao thức modbus ..........................................78
Hình PL4- 1: Phân tích một máy cắt (XCBR) ..........................................................82
Hình PL4- 2: Minh họa cấp bậc dữ liệu ....................................................................83
Hình PL4- 3: Ví dụ về IED và nút logic ...................................................................84
Hình PL4- 4: Phân tích Single Point Status (SPS) ....................................................85
Hình PL4- 5: Mã tên đối tượng .................................................................................86
Hình PL4- 6: Ví dụ về MVC .....................................................................................88
Hình PL4- 7: Sơ lược về chức năng và liên kết truyền thơng của IEC 61850 ..........89
Hình PL4- 8: Mơ hình mẫu của trạm theo IEC 61850 ..............................................91
Hình PL5- 1: Giao thức truyền thơng 60870-5-101 ..................................................92
Hình PL5- 2: Khung định dạng của IEC 60870-5-1 .................................................93
Hình PL5- 3: Mối quan hệ giữa các khối dữ liệu ......................................................96
Hình PL5- 4: Tổng quan về cách thu thập dữ liệu ....................................................97

-7-


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Đầu những năm 90, nền kinh tế đất nước bắt đầu phát triển, nhu cầu về điện
năng ngày một tăng cao. Với điều kiện địa lý thuận lợi và nguồn tài nguyên thủy
điện lớn, hàng loạt các nhà máy thủy điện (NMTĐ) với nhiều mức công suất khác
nhau được xây dựng, đặc biệt là các nhà máy thủy điện nhỏ. Bởi lẽ các nhà máy
thủy điện nhỏ dễ dàng xây dựng hơn nhiều, có thể lựa chọn địa điểm xây dựng một

cách dễ dàng, vốn đầu tư khơng q lớn… Điều đó đã đáp ứng phần nào nhu cầu
điện năng và góp phần phát triển ngành điện lực một cách đắc lực.
Tuy nhiên, không thể nói đó là thành cơng của thủy điện so với nguồn tài
ngun có thể coi là vơ cùng dồi dào hiện có. Thực tế là, các nhà máy thủy nhỏ
chưa bao giờ được coi là hoạt động có hiệu quả, mặc dù có nhiều nhà máy đã đưa
vào những hệ thống hiện đại hóa, các trang thiết bị tối tân. Có rất nhiều ngun
nhân dẫn tới sự khơng hiệu quả này như là: một số nhà máy thường được thiết kế
một cách thô sơ, sơ sài, và thiếu nhất quán, nhiều nhà máy xây dựng mang tính chất
kế thừa theo kinh nghiệm, trong hệ thống tồn tại rất nhiều thế hệ, nhiều công nghệ
sản xuất thiết bị. Tư duy thiết kế cịn mang nặng tính bảo thủ, các thiết kế mới chủ
yếu dựa vào yếu tố kinh nghiệm, chưa có khả năng cập nhật và tiếp nhận công nghệ
dẫn đến khả năng thông tin liên lạc với các nhà máy khác, với các cấp quản lý cấp
cao hơn là rất kém, dự liệu thông tin cập nhật không kịp thời, khơng đầy đủ… Điều
đó khơng những ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của nhà máy nói riêng và cho
tồn bộ hệ thống điện lực nói chung mà cịn có khả năng gây ra những sự cố đang
tiếc trong nhà máy cũng như thiên nhiên, con người trong khu vực phạm vi gần nhà
máy.
Với mục tiêu thúc đẩy sự hợp tác quốc tế về việc tiêu chuẩn hóa trong lĩnh
vực điện – điện tử, đơn giản hoá các cơ sở dữ liệu và kiểm soát tất cả các chức năng
tự động hố và các vấn đề có liên quan khác. Tổ chức kỹ thuật điện quốc tế - IEC

-8-


cũng đã đưa ra rất nhiều các tiêu chuẩn, các hướng dẫn cụ thể cho việc thiết kế hệ
thống điều khiển giám sát nhà máy điện nói chung và NMTĐ nói riêng.
Để giải quyết các vấn đề của mình, hệ thống điều khiển thủy điện nhỏ Việt
Nam cần phải được xem xét và bám sát các tiêu chuẩn này trong các thiết kế cho hệ
thống mới cũng như thiết kế bảo trì nâng cấp các hệ thống sẵn có. Điều đó sẽ giúp
cho hiệu quả của các nhà máy thủy điện nhỏ được nâng cao, giảm tải các chi phí về

vận hành, quản lý và tránh xảy ra những hư hỏng, tai nạn khơng đáng có. Phần nào
hỗ trợ cho ngành điện lực nói chung.
1.2 Mục tiêu đề tài
Thơng qua việc nghiên cứu các tiêu chuẩn IEC cho NMTĐ đưa ra được trình
tự thiết kế và các nội dung thiết kế bám sát các tiêu chuẩn này cho hệ thống điều
khiển và giám sát của các nhà máy thủy điện nhỏ được xây dựng mới.
1.3 Nội dung thực hiện
Tìm hiểu thực trạng hệ thống điều khiển và giám sát của các nhà máy thủy
điện nhỏ tại Việt Nam và đưa ra giải pháp khắc phục nâng cao hiệu quả hệ thống.
Phân tích những yêu cầu và hướng dẫn của tiêu chuẩn IEC cho hệ thống điều
khiển giám sát các NMTĐ.
Thiết kế áp dụng cho NMTĐ Tắt Ngoẵng – Sơn La công suất 2x3.5MW
1.4 Phương pháp nghiêm cứu
Để đạt được mục tiêu, yêu cầu đặt ra của đề tài, việc thực hiện đề tài tác giả
đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu: Các tài liệu khoa học trong và
ngồi nước có liên quan đến IEC và hệ thống điều khiển NMTĐ.
- Phương pháp khảo sát thực tế: Tham khảo các thiết kế, bản vẽ thực tế về hệ
thống điều khiển nhà máy thủy điện nhỏ
- Phương pháp tổng hợp, phân tích, đánh giá, và xử lý dữ liệu.
1.5 Bố cục của luận văn
Bài làm được bố cục thành 5 chương với nội dung chính bao gồm: khảo sát
đánh giá thực trạng hệ thống điều khiển giám sát nhà máy thủy điện nhỏ hiện nay,

-9-


đưa ra giải pháp để nâng cao hiệu quả các nhà máy thiết kế cần hướng theo các tiêu
chuẩn IEC. Thơng qua những phân tích về u cầu chức năng, cấu trúc cho một
HTĐK nhà máy thủy điện nhỏ. Tác giả đưa ra những bước thiết kế theo quan

điểm phân cấp điều khiên của IEC, tại các cấp điều khiển, việc cấu hình hay ghép
nối các thành phần trong cấp đều xuất phát từ những chức năng mà cấp điều khiển
này cần phải đảm nhiệm.
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Thực trạng và giải pháp cho hệ thống điều khiển giám sát cho nhà máy
thủy điện nhỏ tại Việt Nam
Chương 3: Phân tích hệ thống điều khiển giám sát nhà máy thủy điện nhỏ theo tiêu
chuẩn IEC
Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho nhà máy thủy điện Tắt
Ngoẵng – Sơn La
Chương 5: Kết luận

- 10 -


Chương 2:
THỰC TRẠNG VÀ GIẢI PHÁP CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT - ĐIỀU
KHIỂN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN NHỎ TẠI VIỆT NAM
2.1 Các thành phần trong nhà máy thủy điện
Nhà máy thuỷ điện là cơng trình thuỷ điện phát ra năng lượng điện dựa trên
nguồn năng lượng cơ năng của dòng nước.
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 dịng điện chạy qua sẽ cảm ứng sang
stato sẽ phát điện cung cấp điện tới các trạm phân phối điện thông quan hệ thống
MBA. Nhà máy thuỷ điện các thiết bị nhà máy được chia thành các loại: Thiết bị

động lực, thiết bị cơ khí, thiết bị phụ và thiết bị điện.
2.1.1 Turbine thuỷ lực
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 turbine có thể là: cánh
quay,cánh quạt, tâm trục hay turbine gáo.
2.1.2 Máy phát thuỷ điện
Máy phát điện là động cơ biến cơ năng của turbine thành điện năng cung cấp
cho HTĐ. 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 có 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 không đổi, đạt tiêu
chuẩn 50Hz thì yêu cầu rotor máy phát quay với tốc độ khơng đổi khi có phụ tải và
bằng tốc độ quay đồng bộ. Ngoài hai bộ phận chủ yếu là rotor và stator máy phát

- 11 -


cịn hệ thống khác như hệ thống kích từ, hệ thống làm mát máy, hệ thống bảo vệ, hệ
thống phanh hãm tổ máy.
2.1.3 Các thiết bị cơ khí trong nhà máy thuỷ điện
2.1.3.1 Cửa van (van đĩa) trên thành ống dẫn turbine
Các trạm thuỷ điện cột nước cao, cửa van trước buồng xoắn có cơng dụng
tránh cho cánh hướng nước phải chịu áp lực nước khi ngừng làm việc. Khi bố trí
cửa van trước buồng xoắn nó cịn bảo vệ cho các tổ máy khỏi bị quay lồng khi các
hệ thống điều khiển ngừng làm việc.
2.1.3.2 Cửa van ra ống hút
Cửa van ra ống hút với mục đích sửa chữa Turbine. Cửa van này là cửa van
trượt, phẳng, một tầng, nhiều tầng. Nó được để ở cửa ra, giữa hoặc đầu đoạn loe ống
hút. Việc đóng mở van này có thể được bố trí cầu trục phía trên ống hút, thường là

kiểu trục kiểu chân rê hoặc tời di động trên dầm cố định.
2.1.3.3 Thiết bị nâng chuyển
Thiết bị nâng chuyển chính trong nhà máy thuỷ điện là cầu phục vụ cho việc
lắp ráp và sửa chữa tổ máy.
2.1.4 Thiết bị điện
2.1.4.1 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 MBA có thể là 35, 110, 220, 500kV hoặc cao hơn. Máy biến áp
chính về ngun tắc được bố trí ngồi trời, chúng địi hỏi việc làm mát bằng khơng
khí hoặc bằng nước.
2.1.4.2 Hệ thống điện lực tĩnh
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.
HTĐ dùng tuỳ theo loại mà sử dụng điện áp từ 220v- 110v.
2.1.4.3 Hệ thống đo lường bảo vệ

- 12 -


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 thơng 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
2.1.4.4 Hệ thống điều khiển công suất
a. Điều chỉnh công suất tác dụng nhà máy thuỷ điện
Điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát chính là điều chỉnh lượng cơng

suất điện tử của máy phát điện phát vào lưới.
Thực điều chỉnh cơng 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
(HTĐ) sẽ phải tăng công 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 cơng 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.
2.1.4.5 Các hệ thống khác
Hệ thống phanh hãm, hệ thống nước kỹ thuật, hệ thống khí nén.…
2.2 Thực trạng hệ thống điều khiển và giám sát nhà máy thủy điện nhỏ của
Việt Nam
Trước những năn 90, HTĐ Việt Nam thừa hưởng cơ sở hạ tầng lạc hậu, nhỏ
lẻ. Thiết bị điều khiển bảo vệ chủ yếu là thế hệ điện cơ, chưa có sự góp mặt của hệ
thống thông tin số. Các khái niệm trong lĩnh vực điều khiển, giám sát như: SCADA,
hệ thống đo xa và hiểu biết về thế hệ thiết bị số còn khá mới mẻ xa lạ với người
thiết kế và quản lý HTĐ cũng như nhà máy điện.
Đầu những năm 90, nền kinh tế đất nước bắt đầu phát triển, nhu cầu về điện
năng ngày một tăng cao. Với điều kiện địa lý thuận lợi và nguồn tài nguyên thủy

- 13 -


điện lớn, hàng loạt các NMTĐ với nhiều mức công suất khác nhau được xây dựng,
đặc biệt là các nhà máy thủy điện nhỏ. Bởi lẽ các nhà máy thủy điện nhỏ dễ dàng
xây dựng hơn nhiều, có thể lựa chọn địa điểm xây dựng một cách dễ dàng, vốn đầu
tư khơng q lớn… Điều đó đã đáp ứng phần nào nhu cầu điện năng và góp phần
phát triển ngành điện lực một cách đắc lực. Tuy nhiên, không thể nói đó là thành
cơng của thủy điện so với nguồn tài ngun có thể coi là vơ cùng dồi dào hiện có.

Bởi lẽ, các nhà máy thủy nhỏ chưa bao giờ được coi là hoạt động có hiệu quả. Có
thể kể đến một số nguyên nhân chính sau đây:
- Nhiều nhà máy vẫn được thiết kế một cách thô sơ, sơ sài với tính năng hạn
chế.
Ví dụ như NMTĐ Nậm Má – Hà Giang công suất 2x1.7MW, mặc dù mới
được xây dựng năm 2003 nhưng nhà máy lại chọn một phương án cho hệ thống
điều khiển giám sát rất cũ làm cho hệ thống trở lên cồng kềnh, hoạt động kém hiệu
quả.

Hình 2- 1: H nh 2-1h_ơle le b1h_2- \* ARABIC suấ
- Tư duy thiết kế cịn mang nặng tính bảo thủ, các thiết kế mới chủ yếu dựa
vào yếu tố kinh nghiệm, chưa có khả năng cập nhật và tiếp nhận công nghệ.

- 14 -


Ví dụ hệ thống 3 NMTĐ bậc thang tại Suối Sỉu – Hà Giang ( Suối Sỉu 1, 2,
3) với tổng công suất trên 20MW được xây dựng lần lượt trong nhiều năm. Tuy
nhiên các thiết kế sau với các tính năng gần như hồn tồn giống thiết kế trước chỉ
có một số thay đổi về thiết bị. Đây là một điều kiện rất tốt để phát triển theo mơ
hình thủy điện bậc thang, tuy nhiên thì 3 nhà máy này lại hoạt động một cách độc
lập. Điều đó làm cho cơng tác vận hành quản lý trở lên khó khăn hơn rất nhiều khi
mà thông tin liên lạc giữa 3 nhà máy được thực hiện chủ yếu bởi các nhân viên vận
hành.

Hình 2- 2: H nh 2-2h_2- \* ARABIC phát triển theo mơ hình thủ
- 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 là điều khơng thể
tránh khỏi.
Một ví dụ rất rõ ràng cho vấn đề này là NMTĐ Suối Tân 1. 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 rât
nhiều các hãng sản xuất khác nhau với các tiêu chuẩn và công nghệ sản xuất khác

- 15 -


nhau (hệ thống điều khiển, bảo vệ tổ máy của Nhật Bản, hệ thống điều khiển Tuabin
của Trung Quốc, hệ thống điều khiển máy phát của Việt Nam…). Càng khó khăn
hơn, sau một thời gian hoạt động, nhà máy quyết định nâng cấp thêm một tổ máy
với một công nghệ khác. 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 xót hay
khơng chính xác.

Hình 2- 3: H nh 2-3h_2- \* ARABIC y với một công nghệ
2.3 Giải pháp cho hệ thống điều khiển giám sát nhà máy thủy điện nhỏ
Ngày nay nền kinh tế và khoa học kỹ thuật Việt Nam đang từng bước hòa
nhập vào phát triển manh mẽ của thế giới. Quá trình thâm nhập, ứng dụng thế hệ
thiết bị mới (Rơ le bảo vệ, các thiết bị điều khiển, hệ thống điều khiển, thông tin
điện lực…) được thực hiện theo từng bước, mang đặc điểm của một nước đang phát
triển và cũng theo sát với phát triển của những thế hệ mới nhất.
Công nghệ thơng tin cơng nghiệp, văn phịng, cùng kiến trúc mạng LAN,
WAN đã có mặt tại mọi nơi trong mạng thơng tin điện lực Việt Nam. Kèm theo đó,

- 16 -


khái niệm “ Máy tính hóa” điều khiển và bảo vệ đang là xu hướng của tương lai,
nâng cao và hồn thiện vai trị của máy tính trong mơi trường này

Việt Nam có những mặt thuận lợi khi theo chiến lược đón đầu các kỹ thuật
mới, đưa vào ứng dụng những thiết bị, hệ thống tiên tiến nhất ngay trong giai đoạn
phát triển ban đầu không trải qua thời gian và chi phí thử nghiệm, có đội ngũ kỹ
thuật có năng lực nhạy bén, tránh được sai lầm từ những bài học và kinh nghiệm
của các nước đi trước.
Cụ thể để giải quyết các vấn đề của hệ thống điều khiển và giám sát thủy
điện nhỏ của ta hiện nay cần phải có được những thiết kế thống nhất, có khả năng
đáp ứng với nhiều quy mô đầu tư, dễ dàng mở rộng nâng cấp, cập nhật cơng nghệ,
tương thích cho nhiều thiết bị với những công nghệ sản xuất khác nhau từ những
hãng khác nhau.
IEC ( Tổ chức kỹ thuật điện quốc tế ) là một tổ chức toàn thế giới cho sự tiêu
chuẩn hố gồm có tất cả các uỷ ban kỹ thuật điện quốc gia ( những uỷ ban IEC quốc
gia). Mục tiêu của IEC đẩy mạnh sự hợp tác quốc tế về tất cả các câu hỏi quan tâm
sự tiêu chuẩn hoá trong những lỉnh vực điện tử và điện. Đơn giản hoá các cơ sở dữ
liệu và kiểm soát tất cả các chức năng tự động hố. Có khá nhiều các tiêu chuẩn
IEC cho hệ thống điều khiển giám sát nhà máy điện nói chung và NMTĐ nói riêng:
- IEC 62270: Tự động hóa nhà máy thủy điện – Hướng dẫn thiết kế hệ thống
điều khiển dựa trên máy tính
- IEC 60255: Các yêu cầu kỹ thuật vể rơ le
- IEC 60439: Hướng dẫn lắp đặt và điều khiển các thiết bị đóng cắt hạ áp.
- IEC 60529: Các yêu cầu về cấp độ bảo vệ (mã IP)
- IEC 60870: Đặc điểm về hệ thống và thiết vị thông tin
- IEC 61850: Các hệ thống và mạng truyền thông trong trạm điện
- IEC 61131: Các u cầu về lập trình
- …
Ngồi ra cịn có một số các tiêu chuẩn hữu ích khác của hệ thống tiêu
chuẩn IEEE:

- 17 -



- IEEE Std 1249-1996: Hướng dẫn vận hành tự động hố nhà máy thuỷ điện
trên nền máy tính điều khiển.
- IEEE Std 1020 – Hướng dẫn cho hệ thống điều khiển nhà máy thủy điện
nhỏ.
- …
Với những công cụ vô cùng hữu ích sẵn có như vậy. Việc giải qut các vấn
đề nêu trên khơng phải là q khó khăn. Các thiết kế cho hệ thống điều khiển và
giám sát nhà máy thủy điện nhỏ cần phải được bán sát theo những hướng dẫn,
những tiêu chuẩn của IEC đã đưa ra. Điều đó khơng chỉ giúp cho hiệu quả của các
nhà máy thủy điện nhỏ được nâng cao, giảm tải các chi phí về vận hành, quản lý và
tránh xảy ra những hư hỏng, tai nạn khơng đáng có. Mà phần nào hỗ trợ cho việc
phát triển ngành điện lực nói chung.

- 18 -


Chương 3:
PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN - GIÁM SÁT NHÀ MÁY THỦY
ĐIỆN NHỎ THEO TIÊU CHUẨN IEC
Với việc công nghệ máy tinh đang rất phát triển hiện nay, nó thâm nhập vào
hầu hết cá lĩnh vực trong cuộc sống. Vì vậy mà tiêu chuẩn IEC 62270 đã khuyến
cáo các thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát cho NMTĐ nên đi theo hướng dựa
trên cơ sở máy tính.
Với những hệ thống cũ sử dụng các rơle logic chức năng điều khiển tự động
thường chỉ là một vài quá trình điều khiển tuần tự đơn giản với nhiều hạn chế như:
hệ thống cồng kềnh, thao tác vận hành phức tạp, các thơng số cài đặt rất khó thay
đổi khi đã cài đặt vào. Việc thu thập và lữu trữ dữ liệu cũng làm mất rất nhiều thời
gian mà lại khơng đầy đủ và độ chính xác khơng cao bởi dữ liệu này thường chỉ
được ghi chép lại bởi người vận hành. Hiệu quả của các dữ liệu này không cao khi

mà nó hầu như khơng giúp được nhiều cho cơng tác bảo dưỡng, bảo trì…
Với một hệ thống dựa trên cơ sở máy tính các thao tác trước đây của các
nhân viên vận hành sẽ được thống nhất, đơn giản và chính xác hơn với độ an tồn
cao. Ngồi việc tối ưu các quá trình tự động trước đây, hệ thống dựa trên cơ sở máy
tính cịn có thể đưa vào các bài toán nhằm nâng cáo hiệu suất nhà máy như: tự động
điều khiển điện áp, điều khiển công suất…một cách dễ dàng. Việc thu thập và lưu
trữ dữ liệu cũng được máy tính tự động ghi lại một cách chính xác giúp cho người
quản lý dễ dàng theo dõi tình trạng hoạt động nhà máy của mình tại bất kì thời điểm
nào. Ngồi ra các dữ liệu này sẽ phát huy được tối đa công dụng của mình khi được
đưa vào các bài tốn hỗ trợ cơng tác bảo trì bảo dưỡng, dự đốn và chuẩn đốn lỗi...
Với khả năng tương tác cao của máy tính, hệ thống điều khiển giám điều khiển dựa
trên cơ sở máy tính sẽ dễ dàng giao tiếp trao đổi thơng tin với các hệ thống khác,
các NMTĐ khác hay các trung tâm điều khiển cấp cao.
Dưới đây ta sẽ xem xét các tính năng mà một hệ thống điều khiển giám sát
nhà máy thủy điện nhỏ dựa trên cơ sở máy tính sẽ đáp ứng theo hướng dẫn và yêu
cầu của tiêu chuẩn IEC.

- 19 -


3.1 Các tính năng hệ thống điều khiển và giám sát cần đáp ứng
3.1.1 Chức năng điều khiển
3.1.1.1 Phân cấp điều khiển
Bảng phân cấp điều khiển cho NMTĐ:
Loại điều khiển
Vị trí

Chế độ

Vận hành (giám

sát)

Diễn giải
Cục bộ
Là dạng điều khiển tại vị trí của thiết bị
được điều khiển hoặc trong vùng kiểm
soát của thiết bị.
Tập trung
Là dạng điều khiển từ xa đến các thiết bị
được điều khiển nhưng vẫn nằm trong
khuôn khổ nhà máy
Ngoại vi
Điều khiển từ xa từ một vùng ngoài nhà
máy.
Bằng tay
Những hoạt động khác nhau của mỗi
thiết bị sẽ được khởi động bởi từng thao
tác riêng biệt và rời rạc. Thao tác khởi
động này có thể đến từ bất kỳ một vị trí
điều khiển nào trong 3 vị trí nói trên
Tự động
Một số hoạt động có thể được kích hoạt
bởi duy nhất một khởi động. Và thao tác
khởi động đó có thể đến từ bất kỳ một vị
trí điều khiển nào trong 3 vị trí nói trên
Có chủ ý
Các hoạt động luôn sẵn sàng khởi động
tại bất kỳ thời điểm nào
Khơng chủ ý Các hoạt động mà bình thường không
được sẵn sàng để khởi động.


Bác hoạ1: Phân lot động mà bình thường khơng được sẵn sàng

- 20 -


Hình 3-1 minh họa sự sắp xếp thứ tự điều khiển, chức năng điển hình tại mỗi
vị trí khác nhau, các hốn đổi chức năng điều khiển và thơng tin hoạt động. Các
chức năng điều khiển cục bộ, điều khiển tập trung và điều khiển ngoại vi được mô
tả trong các mục dưới.

Điều
khiển
ngoại
vi

Đường truyền
thông từ xa

Đường truyền
ĐK cục bộ
thông trạm
tổ máy 1
Điều
khiển tập
trung

Giao diện
người dùng
ĐK cục bộ

tổ máy n

- Các nhà máy,
tram, trung tâm
đk khác

- Trạng thái các rơ le
trạm phân phối
- Lưu trữ dữ liệu và lập
biểu đồ
- Xuất báo cáo
- Tối ưu nguồn nước và
công suất
- Tự động điều chỉnh
điện áp
- ĐK và giám sát cơng
suất tồn nhà máy
- ĐK và GS trạm phân
phối, đập lấy nước…

Giao diện
người dùng
ĐK trạm
phân phối
điện
Giao diện

- ĐK tuần tự khởi
động/dừng
- ĐK hòa đồng bộ

- ĐK khởi động đen
- ĐK và GS điều tốc và
kích từ tổ máy
- ĐK và GS trạm phân
phối, đập lấy nước…
- ĐK tải
- Cảnh báo, báo động
- Đo lường
- GS trạng thái rơ le
bảo vệ
- ĐK hệ thống phụ trợ
của tổ máy (nước kỹ
thuật, lưới chắn rác…)

người dùng
ĐK cửa lấy
nước
Giao diện
người dùng

Hình 3- 1: S nh 3-1h_3- \* ARABIC ển cục bộng được sẵn sàng để k
3.1.1.2 Điều khiển cục bộ
Điều khiển cục bộ thường là tủ điều khiển tổ máy được được đánh tên tương
ứng với tổ máy mà nó điều khiển.Trường hợp có nhiều tổ máy trong một nhà máy,
mỗi bộ điều khiển thường được phân bổ cho từng tổ máy. Hệ thống điều khiển tổ
máy cũng cân phải đáp ứng các chức năng cơ bản sau đây:
- Thu thập và giám sát dữ liệu
- Điều khiển tuần tự (Start/Stop)
- Cảnh báo, báo động tình trạng máy


- 21 -


- Kiểm soát nhiệt độ
- Kiểm soát các thiết bị đo đạc
- Ghi và lưu trữ các sự kiện
- Hòa đồng bộ các tổ máy với nhau và với lưới
- Điều khiển cơng suất thực và cơng suất phản kháng
Ngồi ra hệ thống điều khiển tổ máy có thể có thêm các chức năng: tối ưu
hóa hoạt động tuabin, khởi động đen (Black Start)…
Giao diện của các bộ điều khiển cần phải được thiết kể ở mức cao để có thể
dễ dàng giao tiếp với các hệ thống điều khiển có liên quan khác như: các hệ thiết bị
con khác trong tổ máy, các tổ máy khác, trạm điều khiển trung tâm, trạm phân phối
điện, các trạm điều khiển phụ …Hình 3-2 minh họa cấu hình trạm điều khiển cục bộ

Hệ thống
bảo vệ
Giao
diện kết
nối tới
thiết bị
chấp
hành

Đường truyền
thông trạm
CPU
Giao diện
người dùng


Hệ thống
sao lưu dữ
liệu

Thiết bị
chấp
hành
(Van
đĩa,
kích từ,
điều
tốc,
máy
cắt…)

Hình 3- 2: C nh 3-2h_3- \* ARABIC iều khiể
a. Điều khiển tuần tự
Một trong những ứng dụng rõ ràng nhất trong hệ thống tự động điều khiển
của NMTĐ là tự động điều khiển tuần tự tổ máy khởi động hoặc dừng. Thiết kế cũ
sử dụng chuyển tiếp dựa trên trạng thái logic của các rơ le cơ điện. Nay các CPU
được lập trình hồn tồn để khởi động hoặc dừng máy phát điện và hệ thống phụ trợ
cơ điện khác cho các tổ máy. Đầu vào cho hệ thống điều khiển tổ máy là các điểm
trạng thái của các tổ máy cũng như toàn nhà máy được liên tục theo dõi sự thay đổi
- 22 -


trong trình tự đã được lập trình. Hệ thống điều khiển có thể liên tục theo dõi và hiển
thị thơng tin trạng thái một cách nhanh và chính xác hơn rất nhiều lần so với việc
giám sát của các nhân viên vận hành, chẳng hạn như trình tự dừng khẩn cấp hay
khởi động nhanh sẽ được bắt đầu ngay lập tức nhanh hơn rất nhiều so với thao tác

thủ công của người vận hành. Bởi vì CPU có thể lập trình, sửa chữa trình tự điều
khiển một cách tương đối đơn giản, ngay cả sau khi nhà máy đang hoạt động
Hệ thống điều khiển cũng có thể theo dõi trình tự điều khiển và cung cấp
thông tin xử lý sự cố xác định trong chuỗi các lỗi xảy ra. Sau đó các CPU có thể
tạm dừng chương trình và đưa ra các cảnh báo, báo động để người vận hành can
thiệp và khắc phục. Khả năng chẩn đoán này giúp quá trình sửa chữa khắc phục sự
cố nhanh hơn và giúp tổ máy sớm trở lại hoạt động. Hệ thống độ phân giải cao có
có khả năng ghi lại những chuỗi sự kiện theo thời gian thực, với việc phân tích các
chuỗi sự kiện được ghi lại này sẽ tăng thêm hiệu suất hoạt động của các rơle điều
khiển và bảo vệ.
Các thiết bị, hệ thống con cần phải được điều khiển và giám sát trong chương
trình điều khiển tuần tự tổ máy thủy điện:
- Van đĩa
- Giới hạn vị trí van đĩa
- Hệ thống dầu trong điều tốc
- Áp suất dầu của ổ đỡ (nếu có)
- Phanh cơ khí
- Hệ thống nước làm mát
- Hệ thống kích từ
- Tốc độ tổ máy
- Trạng thái các rơ le bảo vệ
- Trạng thái máy cắt tổ máy
Dưới đây là quy trình điều khiển tuần tự cơ bản mà hệ thống điều khiển tổ
máy buộc phải tuân theo bao gồm: quy trình khởi động tổ máy, dừng bình thường tổ
máy và dừng khẩn cấp:

- 23 -


Các điều kiện trước khi khởi động:

- Van nước trước tua bin mở hoàn toàn.
- Các thiết bị và rơ le bảo vệ đều đã được
reset
- Mức nước bình thường.
- Máy cắt đã nhả và đã sẵn sàng.
- Hệ thống nước, dầu làm mát đã sẵn sàng.
- Chốt cắt (nếu có)
- Điều tốc đã ở vị trí tự động và đã sẵn sàng.
- Tổ máy đã khơng cịn q trình dừng.

Bắt đầu trình tự
khởi động

&
- Cấp nước làm mát
- Bật hệ thống điều tốc.
- Bật hệ thống kích từ
- Nhả phanh.

- Đóng máy cắt của máy
phát.

- Mở cánh hướng đến vị trí
đã được thiết lập mặc định.

- Cánh hướng mở nhiều
hơn để thêm nước khi đã
có tải.

- Tăng tốc máy phát đến gần

với tốc độ hòa đồng bộ.
.

- Điều chỉnh KW

- Điều chỉnh
KVAr.

- Mồi từ cho máy phát.
.

- Hệ thống kích từ bật bộ tự
động điều chỉnh điện áp
(AVR).
.

&

- Kiểm tra điểm hịa đồng
bộ (so sánh điện áp, tần số,
góc pha).
.

- Máy phát điện của tổ máy
đạt như yêu cầu.

Hình 3- 3: Trinh th_3- \* ARABIC điề

- 24 -



Tổ máy đang
hoạt động

Kích hoạt dừng
bình thường

&

&

Thiết bị bảo vệ
phần cơ khí tác
động

Khóa khơng
cho khởi
động lại

Lần lượt cắt tải
ra khỏi tổ máy
(lựa chọn)

Cắt tải ra khỏi tổ
máy một cách
nhanh nhất
OR

Tổ máy chạy
khơng tải

Ngắt máy cắt
của máy phát ra
Cắt kích từ
Đóng nhanh
cánh hướng
Tốc độ tổ máy
giảm dần
Khi tốc độ đến 1 giá trị
xác định (đã đặt trước) thì
đóng phanh
Tổ máy được
dừng lại

Hình 3- 4: Trình t4h_3- \* ARABIC điều ườrì

- 25 -