Tài liệu Tìm hiểu ứng dụng của scada trong hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG ĐIỆN TÌM HIỂU ỨNG DỤNG CỦA SCADATRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIÊN: Th.S Đào Minh Trung Nguyễn Hữu Nguyên (MSSV:1111018) Ngành: Kỹ thuật điện – khóa 37 Tháng 11/2014 Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điệ, hệ thống truyền tải, lưới phân phối và các phụ tải tiêu thụ điện. Chúng gắn bó với nhau thành một thể thống nhất, nếu bị phá vỡ thì sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề cho toàn hệ thống và gây ảnh hưởng khoonng nhỏ đến nền kinh tế quốc dân. Do vậy đòi hỏi một sự quản lý, giám sat, điều khiển vận hành an toàn, tin cậy cho toàn hệ thống. Cùng với sự phát triển của hệ thống hiện đại có các thiết bị điện ứng dụng công nghệ tân tiến thì vấn đề quản lý, giám sát, điều khiển vận hành hệ thống điện cũng không ngừng phát triển với sự trợ giúp đắc lực của các thiết bị tự động, thiết bị truyền tin và thiết bị điều khiển từ xa, các hệ thống giám sát điều khiển hệ thống điện. Một trong các hệ thống trợ giúp đắc lực đó là hệ thống điều khiển giám sát thu thập dữ liệu SCADA. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, của quá trình công nghiệp hoá-hiện đại hoá, các sản phẩm công nghệ yêu cầu phải tinh sảo, chất lượng, đáp ứng được nhu cầu của người tiêu dùng. Để làm được điều đó người kỹ sư phải không ngừng nghiên cứu, tìm hiểu, nắm bắt sự phát triển của xã hội.Trong học kỳ này em được giao tìm hiểu ứng dụng cúa hệ thống SCADA trong hệ thống điện do Th.S Đào Minh Trung hướng dẫn. Do em còn chưa có đầy đủ kinh nghiệm nên không thể tránh được thiếu sót, vậy mong thầy khi xem xét đồ án có gì thiếu sót, sơ sài đóng góp ý kiến cho em. Em xin chân thành cảm ơn tới thầy hướng dẫn Th.S Đào Minh Trung đã tận tình chỉ bảo, gợi ý giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Cần Thơ, ngày tháng năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Hữu Nguyên SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên i Lời nói đầu NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ ,CHO ĐIỂM ( Của người hướng dẫn) ------------------------------------------------------------------------------------------------------Điểm:……….......( bằng chữ: ……………………………….………...) Cần Thơ, ngày tháng năm 2014 CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Kí và ghi rõ họ tên) SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên ii Mục lục MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN............................................................1 1.1 Khái quát chung về scada...................................................................................1 1.1.1 Tổng quan chung về scada..........................................................................1 1.1.2 Chức năng và vai trò của SCADA..............................................................2 1.1.3 Nguyên lý hoạt động của SCADA..............................................................2 1.2 Sự phân cấp quản lý của hệ thống scada............................................................4 1.2.1 Cấp chấp hành.............................................................................................5 1.2.2 Cấp điều khiển.............................................................................................5 1.2.3 Cấp điều khiển giám sát..............................................................................6 1.3 Các yêu cầu chung của hệ thống scada..............................................................6 1.3.1 Chức năng giám sát.....................................................................................6 1.3.2 Chức năng diều khiển..................................................................................6 1.3.3 Quản lý và lưu trữ dữ liệu...........................................................................6 1.3.4 Tính năng thời gian thực.............................................................................6 1.4 Tổng quan về cơ cấu hệ thống scada.................................................................7 1.5 Thành phần hệ thống scada................................................................................9 1.5.1 Phần cứng....................................................................................................9 1.5.2 Phần mềm....................................................................................................9 1.5.3 Cáp truyền thông.......................................................................................10 1.5.4 Tổng quan về mạng cục bộ lan.................................................................11 1.5.5 Thiết bị modem.........................................................................................12 1.5.6 Yêu cầu về máy tính trong hệ thống scada...............................................12 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG SCADA TRÊN LƯỚI ĐIỆN........................................15 2.1 Nguyên lí làm việc...........................................................................................15 2.2 Các chức năng SCADA....................................................................................16 2.3 Các chức năng EMS trong lưới truyền tải.......................................................16 2.4 Các Chức năng DMS trong lưới phân phối.....................................................17 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG SCADA TRONG GIÁM SÁT LƯỚI HẠ THẾ...........19 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG SCADA TRONG CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN..................27 Mục lục CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG SCADA TRONG ĐIỀU ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN.........31 5.1 Scada trạm và các chức năng của scada trạm..................................................31 5.2 Các kiến trúc của scada trạm............................................................................31 5.3 Lợi ích của việc sử dụng scada trạm................................................................33 Mục lục PHỤ LỤC Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA..............................................1 Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát.............5 Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát.............6 Hình 1.3 hệ thống SCADA..........................................................................................8 Hình 1.4 Cấu trúc phần mềm của hệ thống điều khiển và giám sát SCADA...........10 Hình 3.1 Lưu đồ chính vận hành giám sát lưới điện hạ thế.......................................21 Hình 3.2 Lưu đồ vận hành và giám sát nhánh tải CD................................................22 Hình 3.3 Lưu đồ vận hành và giám sát nhánh tải EF................................................23 Hình 3.4 Lưu đồ vận hành và giám sát nhánh tải GH...............................................24 Hình 3.5 Chương trình con phát hiện và khắc phục sự cố........................................25 Hình 3.6 Chương trình con phát hiện và phân loại các sự cố về dòng......................26 Hình 3.7 Chương trình con theo dõi bù công suất phản kháng.................................27 Phụ lục CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Khái quát chung về scada 1.1.1 Tổng quan chung về scada SADA ( Supervisory Control And Data Acquisition): là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ thống SCASA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy ( HMI – Human Machine Interface). Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ. Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel), Multi Panel … chuyên dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn. Phụ lục Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý. Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyền thông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn. Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống. 1.1.2 Chức năng và vai trò của SCADA Mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức theo nhiều cấp quản lý. Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển giám sát riêng lên từng đối tượng cụ thể của hệ thống. Chính vì thế việc SCADA cho một hệ thống sản xuất công nghiệp cũng được phân ra từng cấp SCADA cụ thể, tuỳ vào quy mô của từng cấp mà có những yêu cầu cụ thể khác nhau song nói chung mỗi cấp SCADA là phải thực hiện những dịch vụ sau: - Thu thập số liệu từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất và tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu về lịch sử sản xuất, về sự kiện thao tác, về báo động…). - Điều khiển và giám sát hệ sản xuất trên cở sở các dữ liệu đã thu thập được. - Thực hiện công tác truyền thông số liệu trong và ra ngoài hệ (đọc/viết số liệu PLC/RTU, trả lời các bản tin yêu cầu từ cấp trên về số liệu, về thao tác hệ). - Nhìn chung SCADA là một sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm theo một phương thức truyền thông nào đó để tự động hoá việc quản lý giám sát, điều khiển cho một đối tượng công nghiệp. Và ta nhận thấy rằng xu thế tự động hoá là một xu thế không thể tránh khỏi do vậy việc áp dụng bài toán SCADA là một việc làm tất yếu nếu chúng ta không muốn tụt hậu trong sản xuất. Vai trò của nó là rất rõ ràng, SCADA giúp ta thu thập rất chính xác về hệ thống từ đó có thể đưa ra các quyết định đúng đắng về hệ, đồng thời ta cũng dễ dàng trong công tác điều khiển và ra quyết định. Việc làm này sẽ giảm đáng kể việc chi phí về vấn đề nhân lực, về vận hành điều này góp phần đáng kể trong việc giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh. 1.1.3 Nguyên lý hoạt động của SCADA 1.1.3.1 Cơ chế thu thập dữ liệu Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng. Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong. Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này. Phụ lục Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ. 1.1.3.2 Xử lý dữ liệu Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục (analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse) Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo. Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị. Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lí lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau: Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường. Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…). 1.1.3.3 Nguyên lý hoạt động Khi các thiết bị đang vận hành vi phạm các giới hạn cho phép của các thông số kỹ thuật hoặc bị sự cố, hệ thống tự động đưa ra các tín hiệu cảnh báo dạng chuông, còi; hiển thị nội dung sự kiện cảnh báo bằng những dòng lệnh theo màu sắc và nhấp nháy, điều này giúp cho các kỹ sư điều hành hệ thống điện có những hành động ứng xử kịp thời để đưa các thiết bị trở lại trạng thái vận hành bình thường hoặc đưa các thiết bị dự phòng vào hoạt động thay thế nhằm đảm bảo cho hệ thống điện vẫn làm việc ở trạng thái ổn định và kinh tế. Tất cả các sự kiện xảy ra đối với các thiết bị trên hệ thống điện, đối với các chế độ vận hành hệ thống điện đều được lưu trữ tự động theo trật tự thời gian, có độ chính xác đến từng mili giây(ms), có thể Phụ lục truy xuất khi cần thiết dưới dạng các bảng biểu, đồ thị giúp cho quá trình xử lý và phân tích sự cố được chính xác. Hệ thống SCADA cho phép các kỹ sư điều hành có thể thực hiện các thao tác, điều khiển các thiết bị từ xa như khởi động hay ngừng các tổ máy phát điện, thay đổi công suất theo yêu cầu, đóng cắt các thiết bị, điều chỉnh nấc điện áp của các máy biến áp… Khả năng này cho phép giảm bớt nhân lực, tiến tới có thể xoá bỏ chế độ người trực vận hành ở các trạm điện, các nhà máy. Các thiết bị làm việc hoàn toàn tự động, được điều khiển từ xa từ các trung tâm điều độ. Từ thập kỷ 90 trở lại đây, các hệ thống tích hợp thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát được ứng dụng và phát triển rộng rãi. Chức năng cơ bản của hệ thống SCADA tích hợp là nó được trang bị thêm nhiều phần mềm ứng dụng khác hỗ trợ trong việc tự động lấy các dữ liệu thời gian thực của hệ thống, đưa vào tính toán và cho ra kết quả bằng các lệnh điều khiển trực tiếp lên một phần thiết bị của hệ thống điện hoặc đưa ra các khuyến cáo cụ thể cho các kỹ sư điều hành thực hiện nhằm đảm bảo sự làm việc của hệ thống điện được ổn định, an toàn và kinh tế nhất. Các phần mềm ứng dụng thông thường đi kèm là: - Điều khiển phát điện tự động (AGC: Automatic Generation Control). - Điều độ kinh tế (ED: Economic Dispatch). - Phân tích chế độ đột biến (CA: Contingency Analysis). - Đánh giá trạng thái (SE: State Estimation). - Tính toán trào lưu công suất (DLF: Dispatch Load Flow). - Tối ưu hoá trào lưu công suất (OPF: Optimal Power Flow). - Dự báo phụ tải (LF: Load Forecast). - Lập kế hoạch vận hành (GP: Generation Planning). 1.2 Sự phân cấp quản lý của hệ thống scada Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với mọt hệ thống công nghiệp bất kỳ. Đặc thù của HTĐ là quy mô của hệ thống sản xuất rất lớn, trải trên một không gian rộng, bao gồm nhiều phần tử, thiết bị với các chức năng, nguyên lý làm việc khác nhau. Do đó việc sử dụng một hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhiệm tất cả các chức năng giám sát và điểu khiển hết sức phức tạp. Chính vì vậy, tùy theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng giám sát, điều khiển mà các chức năng giám sát, điều khiển và thu thập số liệu được phân phối và phân cấp cho các thiết bị khác nhau. Phụ lục Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát Hệ thống SCADA cho hệ thống hợp nhất, với một công ty điện lực chịu trách nhiệm quản lý, thông thường được chia thành ba phân cấp cơ bản sau đây: 1.2.1 Cấp chấp hành Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp trên điều khiển. 1.2.2 Cấp điều khiển Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo lường, tự thực hiện các thao tác như ấn nút mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay,… Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin. Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay được gọi chung là cấp trường (Field level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật. Phụ lục 1.2.3 Cấp điều khiển giám sát Có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Ngoài ra trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức. Việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài máy tính thông thường. 1.3 Các yêu cầu chung của hệ thống scada 1.3.1 Chức năng giám sát Giám sát và đảm bảo được tính chính xác toàn bộ các thông số vận hành của hệ thống như dòng điện, điện áp, cống suất, tần số, vị trí nấc của máy biến áp.Giám sát được các trạng thái của các phần tử đóng cắt trong hệ thống. Đó là trạng thái đóng/mở của máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa… 1.3.2 Chức năng diều khiển 1.3.2.1 Quá trình điểu khiển phải chính xác, tin cậy Trong quá trình thực hiện các thao tác đóng/mở máy cắt, dao cách ly, điều khiển chuyển nấc phân áp của máy biến áp…. Từ xa ( từ Trung tâm điều độ vùng/miền hoặc quốc gia) phải đảm bảo tuyệt đối tin cậy, không được nhầm lẫn, có nghĩa là các thao tác phải được giám sát chặt chẽ về tính liên động phối hợp giữa máy cắt, dao cách ly và các thiết bị liên quan tuân theo quy trình quy phạm vận hành của hệ thống. 1.3.2.2 Cài đặt thông số từ xa Khi có sự thay đổi về cấu trúc của lưới hoặc nâng cao công suất chống quá tải thì các thông số vận hành của lưới và thiết bị sẽ thay đổi, vì vậy ta cần phải đặt lại thông số chỉnh định bảo vệ rơ le hoặc thay đổi tỷ số biến đổi trong các thiết bị đo đếm như đồng hồ và công tơ cho phù hợp thực tế. Việc cài đặt này có thể được thực hiện từ xa tại các Trung tâm điều độ vùng/miền hoặc quốc gia. 1.3.3 Quản lý và lưu trữ dữ liệu Giám sát được các sự cố xảy ra trên lưới cũng như các thiết bị, cảnh báo sự cố bằng âm thanh, màu sắc hoặc thông báo trên mà hình hiển thị, ghi lại các chuỗi sự kiện, sự cố xảy ra và xác định chuẩn đoán sự cố. Tất cả các chức năng trên của hệ thống phải được bảo mật ở mức cao nhất và tuyệt đối tin cậy. 1.3.4 Tính năng thời gian thực SCADA là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong thời gian thực, do đó tính năng thời gian của hệ thống là rất cần thiết và quan trọng. Sự Phụ lục hoạt động bình thường của hệ thống kỹ thuật nói chung, hệ thống điện nói riêng làm việc trong thời gian thực không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn kết quả đầu ra, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả. - Độ nhạy nhanh: tốc độ truyền thông tinh hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể. - Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm. - Độ tinh cậy, kịp thời: đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định. - Tính bền vững: có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây thiệt hại thêm cho toàn bộ hệ thống. 1.4 Tổng quan về cơ cấu hệ thống scada Từ sự phân cấp quản lý hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu cũng như yêu cầu chung của hệ thống SCADA nêu trên, một hệ thống SCADA cần có cơ cấu cơ bản như sau: Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Termial Units) hoặc là các khối (bộ) vi điều khiển logic lập trình PLC ( Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành...). Trạm điều khiển và giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm ( Central host computer server). Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiêt bị chuyển đổi dòng kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ. Giao diện người – máy HMI ( Human – Machine Interface): là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vân hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống. Phụ lục Hình 1.3 Hệ thống SCADA Theo các thành phần, có một cơ chế thu thập dữ liệu như sau: Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quyeets thông tinh có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng. Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong. Các máy chủ quét RTU ( với tốc đọ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này. Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tính hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ. Trong quá trình truyền tải dữ liệu, dữ liệu có thể là dạng liên tục ( analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse). Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI ( Graphical User Interface) dùng để hiện thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiển thị dưới dạng hình ảnh tĩnh., khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo. Phụ lục Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa GUI dưới dạng đồ thị. Một ưu điểm lớn nhất của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố, hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau: Sử dụng dữ liệu cất giữ các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định, dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường. Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: Hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ… Các bộ phận dự phòng nãy sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…). 1.5 Thành phần hệ thống scada 1.5.1 Phần cứng Một hệ thống SCADA bao gồm một số các thiết bị đầu cuối RTUs(Remote Termote Terminal Units) làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu quay trở lại trạm chủ thông qua một hệ thống truyền thông. Trạm chủ hiển thị các dữ liệu thu được và cho phép người vận hành thực hiện các nhiệm vụ điều khiển từ xa. Các dữ liệu chính xác và kịp thời cho phép tối ưu hóa các hoạt động nhà máy và quá trình. Lợi ích khác của hệ thống SCADA là hiệu quả hơn, độ tin cậy cao, chi phí thấp và quan trọng nhất là an toàn hơn trong hoạt động. Một hệ thống SCADA phức tạp có năm cấp độ cơ bản sau: - Thiết bị đo và thiết bị điều khiển - Trạm đầu cuối và thiết bị đầu cuối RTU - Hệ thống truyền thông - Các trạm thu thập dự liệu - Hệ thống xử lý dữ liệu 1.5.2 Phần mềm Phần mềm SCADA có thể được chia thành hai loại, thuộc quyền sở hữu hoặc nguồn mở. Các phần mềm thuộc quyền sở hữu là các phần mềm SCADA nhà cung cấp hệ thống SCADA thiết kế ra để giao tiếp với phần cứng của họ. Vấn đề chính với hệ thống này là sự phụ thuộc quá nhiều vào các nhà cung cấp hệ thống. Vì vậy các phần mềm mở được sử dụng phổ biến hơn vì khả năng tương tác của họ mang lại cho hệ thống. Thường các phần mềm mở có khả năng trộn các nhà sản xuất thiết bị khác nhau trên cùng một hệ thống. Phụ lục Citect và WonderWare chỉ là hai trong số những gói phần mềm mở sẵn trên thị trường cho các hệ thống SCADA. Một số gói phần mềm hiện nay bao gồm cả quản lý tải sản tích hợp trong hệ thống SCASA. Phần mềm SCASA sẽ bao gồm những phần chính sau: - Giao diện người sử dụng - Đồ họa - Các cảnh bái(Alarms) - Các đồ thị(Trends) - Giao diện cho thiết bị đầu cuối RTU và PLC - Khả năng mở rộng - Phương thức truy cập dữ liệu - Cơ sở dữ liệu - Mạng truyền thông - Lỗi và dự phòng - Quá trình phân phối máy chủ/khách Hình 1.4 Cấu trúc phần mềm của hệ thống điều khiển và giám sát SCADA 1.5.3 Cáp truyền thông Có rất nhiều loại cáp truyền thông được sử dụng trong hệ thống SCADA Thông tin trong ngành Điện lực được truyền tải thông qua các hình thức sau: - Các kênh sử cao tẩng theo tuyến đường dây tải điện PLC(Power Line Carrier) Sử dụng các đường dây điện lực, dây chống sét hoặc các đường cáp đặt cách ly trong chúng để tạo kênh cao tần truyền tin. Việc sử dụng đường dây điện lực để truyền thông tin cao tần được thực hiện theo các sơ đồ: Dây phát – Dây nhận, Dây pha – Dây đất, Dây pha – Dây pha, Dây Phụ lục pha của lộ này – Dây pha của lộ khác. Việc sử dụng đường dây chống sét(DCS) truyền tin được thực hiện theo các sơ đồ:DCS – DCS, DCS- Dây đất, hai DCS – Dây đất. Các đường cáp đặt cách ly trong đường dây điện lực hoặc trong dây chống sét cũng được thực hiện theo các sơ đồ tương tự. - Các kênh theo đường cáp ngầm dưới đất hoặc dây hữu tuyến trên không, thường sử dụng loại cáp đồng trục. - Các kênh liên lạc sử dụng vô tuyến chuyển tiếp hay vi ba với bước sóng 1 – 10cm - Các kênh vô tuyến sóng ngắn, bước sóng từ 10 – 50cm. - Các kênh cáp quang chôn ngầm dưới đất hoặc theo đường dây truyền tải điện. - Các kênh thuê của nghành bưu điện Hiện nay trong nghành Điện lực, hình thức truyền tin cao tần theo đường dây tải điện, vô tuyến chuyển tiếp và kênh cáp quang được sử dụng rộng rãi hơn cả. 1.5.4 Tổng quan về mạng cục bộ lan Mạng cục bộ LAN( Local Area Network) được dùng để chia sẻ toàn bộ tài nguyên thông tin. Do vậy, có thể sử dụng mạng LAN để các trạm nằm trong mạng SCADA có thể chia sẻ thông tin được với nhau khi chúng được kết nối qua các phương tiện truyền thông. Phương thức kết nối là topology mạng. topology mạng là sự sắp sếp hình học của các nút và cáp nối mạng cục bộ. Các topology mạng đều thuộc hai loại: tập trung và phân tán. Trong topology mạng tập trung, như mạng hình sao, có một máy tính trung tâm điều khiển việc thâm nhập mạng. Kiểu thiết kế này đảm bảo an toàn dữ liệu và sự quản lý trung tâm đối với các nội dung và các hoạt động của toàn mạng. Trong các topology phân tán như mạng Bus hoặc mạng vòng tròn, không có máy trung tâm, mà từng trạm công tác có thể xâm nhập vào một các độc lập và tự thiết lập các ghép nối riêng của mình với các trạm công tác khác. Trong mạng LAN, các máy tính cá nhân và các máy tính khác trong phạm vi một khu vực hạn chế được nối với nhau bằng các dây cáp chất lượng tốt, sao cho những người sử dụng có thể trao đổi thông tin, dùng chung các thiết bị ngoại vi và sử dụng các chương trình cũng nhú các dữ liệu đã được lưu trữ trong một máy tính dành riêng gọi là máy dich vụ tệp. Khác nhau nhiều về quy mô và mức độ phức tạp, mạng cục bộ LAN có thể chỉ liên kết và ba máy tính cá nhân và một thiết bị ngoại vi dùng chung đắt tiền, như máy in laser chẳng hạn. Các hệ thống phức tạp hơn thì có các máy tính trung tâm (máy dịch vụ tệp) và cho phép những người dùng tiến hành thông tin vơi nhau thông qua thư điện tử để phân phối các chương trình nhiều người sử dụng , thâm nhập vào các cơ sở dữ liệu dùng chung. Phụ lục 1.5.5 Thiết bị modem MODEM( Modulator/Demodulator) là một thiết bị biến đổi các tín hiệu số do cổng nối tiếp của máy tính phát ra thành các tín hiệu dạng tương tự được điều biến, cần thiết để truyền qua đường điện thoại. Ngược lại, nó cũng biến những tín hiệu tương tự nhận được thành các tín hiệu số tương đương đương. Trong điện toán cá nhân, người ta thường dùng MODEM để trao đổi các chương trình và dữ liệu với những máy tính khác và truy cập các dịch vụ thông tin trực tuyến như Dow Jones News/Retrieval Service MODEM là danh từ rút gọn của Modulator/Demodulator (điều biến/giải điều biến). Việc điều biến này là cần thiết vì các đường dây điện thoại được thiết kế để xử lý tiếng nói con người, có tần số thay đổi trong khoảng từ 300Hz đến 3000Hz trong những cuộc nói chuyện điện thoại bình thường (từ giọng nói trầm đến giọng thanh). Tốc độ truyền dữ liệu của một MODEM được tính bằng đơn vị bit mỗi dây hay là bps (về kỹ thuật), không phải là baut, mặc dù hai thuật ngữ này được dùng lẫn lộn. Chọn MODEM tương đối đơn giản: chọn loại tốc độ chậm (300 hoặc 1200 bps) hoặc loại tốc độ nhanh (2400 bps). Tuy nhiên, hiện nay có nhiều khả năng chọn MODEM hơn. 1.5.6 Yêu cầu về máy tính trong hệ thống scada Các máy vi tính sử dụng trong hệ thống SCADA phải đạt tiêu chuẩn cao cả về cấu hình và chất lượng, là máy tính đặc chủng được sản xuất dùng riêng trong công nghiệp. Hiện nay máy tính thường được sử dụng nhiều nhất là các dòng máy tính công nghiệp của Dell và HP. Đối với các máy trạm thường sử dụng máy Workstation mới nhất của HP là Z600 có cấu hình tối thiểu như sau: HP Z600 WORKSTATION CPU Intel Xeon E5504 2.00 4MB/800 QC CPU -1 RAM HP 2GB (2x1GB) DDR3-1333 ECC 1-CPU RAM OS Genuine Windows Vista® XP Professional 32-bit Hard Drive HP 160GB SATA 7200 1st HDD Video Card NVIDIA Quadro FX380 256MB Graphics Mouse HP Optical 3-Button Mouse Key board HP USB Standard Keyboard Monitor HP LCD 21” Đối với máy chủ (Server) cần phải đặt hàng các máy chuyên dụng có khả năng xử lý và lưu trữ dữ liệu tốt nhất. Phụ lục Để máy vi tính có thể làm việc trong một thời gian thì phải thực hiện bảo trì thường xuyên. Công việc bảo trì có thể làm hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng hoặc kiểm tra hàng năm. - Những yêu cầu chung về phần cứng: Máy tính PC dùng để thu thập và điều khiển phải mang tính phổ thông và có khả năng giao tiếp tốt với các hãng thiết bị phần cứng khác nhau. Có hệ điều hành đa nhiệm có khả năng mở rộng và giao tiếp dễ dàng với các phần mềm và phần cứng khác. - Những yêu cầu chung về phần mềm: Có khả năng tương thích với các giao thức (Protocol) thông dụng. Dễ dàng thiết kế và nâng cấp khi cần thiết. - Về dịch vụ SCADA: Có khả năng thu thập, lưu trữ, sử dụng số liệu được ít nhất trong một năm. Cung cấp sự giao tiếp và giao diện dễ dàng cho người sử dụng và vận hành. Dể dàng cho ngươì dùng hiển thị sơ đồ và đồ thị trong giám sát cũng như in báo cáo. Giúp thao tác điều khiển từ xa dễ dàng, tuy nhiên vẫn phải bảo đảm thao tác điều khiển bằng tay. - Yêu cầu về giá thành và chi phí lắp đặt phải rẻ, hợp lý. 1.5.7 Truyền tin trong hệ SCADA - Các dạng truyền tin trong hệ SCADA Ngoài việc sử dụng các máy tính công nghiệp, các Server, thiết bị mạng… ở phòng theo dõi trung tâm. Một bộ phận không thể thiếu được trong hệ thống SCADA là hệ thống truyền tin. Nó liên quan đến tính ổn định và sự chính xác của hệ thống. Vì vậy, một hệ truyền tin được chọn trong một hệ SCADA phải thoả mãn các tiêu chuẩn như: giải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bô hay dị bộ, khoảng cách địa lý… Hệ thống truyền tin được chọn phải tương thích với thiết bị trường và máy chủ Server. Một số thiết bị có thể sử dụng được để truyền dữ liệu trong hệ SCADA như sau: Modem RDT (Radio Data Technology) của Anh quốc có các loại truyền sóng Radio, vô tuyến; các thiết bị thu phát sóng của Motorola, các bộ RTU, GPS. Tuỳ theo mô hình, phạm vi của từng hệ SCADA mà ta áp dụng từng loại thiết bị trên sẽ phát huy hết tính năng tác dụng của nó. Hệ thống SCADA cấp quốc gia và miền dùng các RTU được thiết kế đặc biệt cho ngành điện (theo tiêu chuẩn IEEE và IEC, có khả năng chịu được nhiễu điện từ…). Các thiết bị RTU thông minh với các trung tâm điều độ qua thủ tục truyền tin IEC-870-5-101. Ngoài ra, với nhiều hệ SCADA dùng PLC dùng thủ tục truyền tin là Profibus.