Hệ thống điện 24/7

[bkeps.com]Từ hơn một thập kỷ nay, máy tính cá nhân công nghiệp đã điều khiển các công trình điện cao áp một chiều ở khắp nơi trên thế giới, không chỉ xử lý các tín hiệu của bộ biến đổi điện mà còn cả của các thiết bị điều khiển trạm điện một chiều ở gần đó. Cách đây vài năm, công ty điện lực Vattenfall (trụ sở tại Stockholm, Thuỵ Điển) đã lắp đặt một trong những hệ thống HVDC Light đầu tiên (50 MW, 80 kV) tại đảo Gotland trên biển Bantic.

Một trong các đầu ra của thiết bị chỉnh lưu được lắp đặt rất gần một trạm biến áp xoay chiều sẵn có, nơi một số tín hiệu có thể là chung cho cả điều khiển xoay chiều và một chiều. Công ty điện lực này đã tiến hành xác định liệu các máy tính điều khiển dòng một chiều này cũng có thể điều khiển được các khoang xoay chiều giữ vai trò tối quan trọng đối với trạm biến đổi điện hay không? Sau khi lắp đặt phần mềm chuyên dụng để bảo vệ và điều khiển dòng xoay chiều, hệ thống đã hoạt động tốt. Vì vậy, Vattenfall quyết định tiến hành thử nghiệm sáng kiến này trên qui mô thực bằng cách sử dụng các trạm điện xoay chiều sẵn có trên đảo.

Các hệ thống lắp đặt

HVDC Light mà công ty Vattenfall đã mua của hãng ABB (trụ sở tại Zurich, Thuỵ Sĩ) là một hệ thống tích hợp hoàn toàn, trong đó toàn bộ công tác điều khiển đều dựa trên các nền phần cứng và phần mềm tiêu chuẩn hoá. Bằng việc tập trung tất cả tín hiệu trong trạm biến áp vào một giá đỡ I/O (giá đỡ vào/ra), một máy tính điều khiển duy nhất có thể đảm bảo nhiều chức năng, cụ thể như bảo vệ, điều khiển, ghi sự cố và ghi chất lượng điện.

Hệ thống tích hợp đầu tiên dựa trên máy tính là một phần trong hệ thống lắp đặt HVDC Light ở đảo Gotland, được đưa vào hoạt động năm 1998. Hệ thống này bao gồm một hệ thống máy tính kép cho cả hệ thống HVDC Light và trạm biến áp xoay chiều, và hiện tại có hai trạm máy tính kép và hai trạm máy tính đơn trên đảo Gotland. Một trạm máy tính kép có nghĩa là tất cả phần mềm cần thiết đều được cài đặt trên hai máy tính, tất cả các hiển thị và các giá trị đo đều có một kết nối riêng rẽ, nhưng tất cả tín hiệu đều có thể được sử dụng nhiều lần trong máy tính. Mặc dù phương pháp này làm đơn giản hoá kết nối vật lý, nhưng nó yêu cầu phải lập trình nhiều.

Môi trường phát triển của các hệ thống phần cứng mang tính đặc trưng của hãng bán thiết bị, nhưng các chức năng phần mềm lại có thể mua từ các hãng bán khác. Một hãng sản xuất bên ngoài đã tạo một chương trình được tích hợp vào hệ thống HVDC Light trên đảo Gotland, bao gồm các chức năng theo dõi máy cắt điện ghi lại dòng tác động, được chuyển về giá trị sơ cấp. Nhờ khả năng “quan sát” được dòng điện mà các chức năng bảo vệ ghi lại, có thể đẩy nhanh công tác thử nghiệm và phân tích lỗi. Trong phòng điều khiển có thể quan sát được dòng điện tác động ngay sau khi xảy ra nhiễu.

Công trình lắp đặt gần đây nhất là trạm biến áp 130/40 kV Ulricehamn, cách thành phố Gothenburg (Thuỵ Điển) 100 km về phía đông. Trạm biến áp này được trang bị sáu khoang 130 kV, ba đường dây, một dàn tụ bù và hai máy biến áp 130/40 kV, 63 MVA. Trạm biến áp có nhu cầu phụ tải đỉnh 85 MW và tám khoang 40 kV dùng cho sáu xuất tuyến và hai máy biến áp.

Hệ thống bảo vệ và điều khiển chính hiện có đã được lắp đặt từ khi trạm biến áp được đưa vào vận hành lần đầu tiên, vào những năm 60 của thế kỷ trước. Với một trạm biến áp có công suất và tầm quan trọng như vậy thì việc ghép đôi các máy tính hồi đó được coi là cần thiết. Vì số lượng thuật toán yêu cầu lớn nên mỗi hệ thống bao gồm hai máy tính.

Hệ thống điều khiển mới trong trạm có cùng chức năng như hệ thống cũ, nhưng có vài chức năng mới như ghi sự cố thoáng qua (transient fault recorder - TFR), ghi sự kiện, bảo vệ khoảng cách ở cấp điện áp 40 kV, bảo vệ thanh cái và đo chất lượng điện. Hệ thống có chức năng đóng tự động và tự động đóng trở lại sau thời gian trễ đối với cấp điện áp 40 kV (và cũng có thể sử dụng ở cấp điện áp 130 kV).

Thiết bị bao gồm các hệ thống dư thừa trong tủ ở các bãi phân phối 130 kV và 40 kV, và còn thêm một tủ bổ sung chứa thiết bị giám sát trạm, cơ sở dữ liệu sự kiện và bộ điều khiển từ xa.

Hệ thống điều hành máy tính là một lõi thời gian thực kết hợp với Windows XP. Phần mềm hệ thống và các chương trình ứng dụng cho các chức năng bảo vệ và điều khiển khác nhau được ưu tiên chạy trước trong hệ thống điều hành. Các máy tính khác nhau được nối tới mạng truyền thông, nối tới hệ thống điều khiển và giám sát trạm bao gồm một máy tính công nghiệp có bàn phím và màn hình giám sát. Máy tính có cơ sở dữ liệu lưu trữ các sự kiện và một bộ chuyển đổi giao thức truyền thông (trạm công tác cổng ra vào) để kết nối tới hệ thống trung tâm điều khiển của công ty điện lực Vattenfall.

Trong trạm biến áp có một trạm công tác vận hành (operator workstation) để giám sát tại chỗ, quản lý lỗi, xử lý dữ liệu và một máy in. Trung tâm điều khiển có một hệ thống tương tự. Mỗi trạm công tác gồm Windows XP Professional Edition, phần mềm giao diện người máy HiDraw, InTouch và phần mềm Reval phân tích dữ liệu nhiễu. HiDraw là một chương trình kết hợp về trình bày, phân tích lỗi và tư liệu, cũng có thể được sử dụng như một công cụ phát triển.

Kinh nghiệm về hệ thống PAM

Hệ thống mới điều khiển trạm biến áp có một ma trận hành động bảo vệ (protection action matrix - PAM) có khả năng cấu hình thuật toán bảo vệ để tác động cắt một máy cắt điện cụ thể. Đây là phương tiện giúp dễ dàng thay đổi các thông số đặt. Ví dụ, Vattenfall đã thay đổi các thông số đặt tại một trong số các trạm biến áp chính ở Gotland để có thể tiến hành công tác bảo dưỡng quy mô lớn, yêu cầu các lộ xuất tuyến và máy biến áp phải được cấp nguồn qua một máy cắt duy nhất. Chỉ mất đúng 5 phút để cấu hình từ xa các thay đổi cần thiết khi sử dụng PAM, thay vì phải mất một tuần lễ để quấn lại tại chỗ các cuộn dây rơle.

Vì tất cả các tín hiệu và giá trị đo đều được tập trung trong một hệ thống nên tất cả các giá trị này có thể sẵn sàng được hiển thị trực tuyến và xem trực tiếp trên màn hình máy tính, tại chỗ hay từ xa. Ngoài ra, cũng dễ dàng kiểm tra trực tuyến các chức năng khoá chặn.

Đối với các rơle bảo vệ truyền thống, phải mất rất nhiều thời gian để kiểm tra tất cả các chức năng bảo vệ, đảm bảo rằng bảo vệ dư thừa không hoạt động và không gây tác động các máy cắt ngoài ý muốn. Với hệ thống PAM, việc thử nghiệm được đơn giản hoá vì có thể khống chế các tín hiệu tác động máy cắt - một bước cải tiến giúp thực hiện dễ dàng, nhanh chóng, thậm chí đối với cả các hệ thống phức tạp.

Một lợi ích lớn của hệ thống mới là khả năng bổ sung chức năng bảo vệ mới, điều này đã được chứng minh trong quá trình phát triển dự án. Thời gian thực hiện những chức năng mới này là thời gian cần thiết để khởi động công cụ phát triển, mở trình đơn, nhắp chuột vào các khối chức năng thích hợp (không cần nối dây), bổ sung các chức năng mới này vào bản vẽ thiết kế và kết nối các tín hiệu thích hợp. Một lợi ích nữa là hệ thống có thể được kiểm tra từ một máy tính văn phòng, bằng cách sử dụng chế độ gỡ rối (debug mode) trước khi vận hành.

Hệ thống bao gồm một TFR có khả năng ghi 4 giá trị đo cho mỗi sự kiện tại khoảng 15 đến 20 lộ xuất tuyến. Vì vậy, người sử dụng có thể quan sát điều gì đã xảy ra trên mạch bị sự cố, cũng như các mạch còn lại đang hoạt động bình thường, do đó có thể kiểm tra phản ứng của toàn bộ hệ thống khi xảy ra sự cố trên lưới điện. Hệ thống sử dụng GPS để đồng bộ hoá thời gian các sự kiện và TFR. Độ chính xác đến một phần nghìn giây của GPS là rất có giá trị đối với phân tích nhiễu và so sánh tính năng giữa các trạm biến áp.

Công trình xoay chiều thuần tuý đầu tiên là một ứng dụng hệ thống kép, được lắp đặt vào năm 1999. Lúc đó, máy tính chưa có khả năng chạy tất cả các chức năng, vì vậy hệ thống lắp đặt thiếu một vài chức năng. Năm 2003, các máy tính được thay thế bằng những máy có tốc độ cao, với đầy đủ mọi chức năng. Lắp đặt hệ thống chính mất 2 ngày, và hệ thống dự phòng mất 1 ngày. Trạm biến áp hoàn toàn được bảo vệ trong quá trình lắp đặt bởi vì ngoài các máy tính ra, các kết nối vật lý không hề bị ảnh hưởng.

Đã có một trường hợp xảy ra, một máy tính không hoạt động, báo động được gửi đến trung tâm điều khiển. Nhưng sau khi khởi động lại máy tính này, mọi thứ đều hoạt động tốt trở lại. Cũng vào năm 2004, một máy tính lắp đặt từ năm 1998 đã gặp phải một vấn đề về phần cứng và hỏng trước khi được thay thế bằng một máy tính mới. Hiện nay, Vattenfall có năm công trình dòng điện xoay chiều, trong đó hai công trình có các máy tính đơn và ba công trình có hệ thống kép; đến nay, chưa ghi nhận trường hợp sự cố đầy đủ ở một hệ thống kép.

Lộ xuất tuyến

Các cấu hình thay thế

Theo kinh nghiệm của Vattenfall đối với các trạm biến áp nhỏ, một máy, phụ tải dưới 20 MW và một vài lộ xuất tuyến, thì chỉ cần một máy tính duy nhất được kết nối tới một mạng truyền thông duy nhất và một bộ giá đỡ I/O để kết nối qui trình là đủ. Việc hỗ trợ dự phòng bảo vệ sự cố (fault-protection backup) các lộ xuất tuyến có thể được xử lý đơn giản nhờ các I/O. Tuỳ thuộc vào cấu hình hệ thống, bảo vệ từ trạm cung cấp có thể được sử dụng để hỗ trợ, và đối với hệ thống cao áp, có thể bổ sung thêm bảo vệ hỗ trợ riêng.

Giải pháp “an toàn cao” (high-end solution) đối với các trạm biến áp hệ thống truyền tải bao gồm một hệ thống với tất cả các bộ phận hợp thành đều được ghép đôi, bộ phận chức năng điều khiển được hỗ trợ dự phòng toàn phần. Hai hệ thống bảo vệ và điều khiển có thể gồm nhiều PC, tuỳ thuộc vào số lượng chức năng mà chúng cần phải đảm bảo, như đối với trạm biến áp Ulricehamn.

Trong hệ thống máy tính kép, tất cả chương trình chính đều chạy trong cả hai máy. Sự khác biệt là có một máy tính đóng vai trò là máy chủ. Đối với những chức năng không giữ vai trò thiết yếu đối với an ninh, chúng có thể tồn tại chỉ trong một máy tính, còn các chức năng bảo vệ luôn phải hoạt động trong cả hai hệ thống và từng hệ thống này đều có thể tác động cắt máy cắt điện.

Sơ đồ bố trí phần lớn các công trình trạm biến áp đều nằm ở vị trí trung gian giữa các giải pháp cơ sở và giải pháp an toàn cao. Theo Vattenfall, sơ đồ bố trí chuẩn nên là một hệ thống với các máy tính chính ghép đôi và các bộ I/O đơn, vì giải pháp này đáp ứng tất cả các yêu cầu cơ bản.

Chức năng mới

Việc đưa chức năng mới vào trong hệ thống điều khiển và bảo vệ tích hợp hoàn toàn ở trạm Ulricehamn được thực hiện khá dễ dàng. Chức năng hoàn toàn mới theo yêu cầu đã được phát triển để kiểm tra qui trình làm việc nhằm bổ sung chức năng mới và để huấn luyện nhân viên vận hành và nâng cấp hệ thống.

Chức năng đầu tiên, “trình bày dữ liệu” được sử dụng để xuất thông tin từ hệ thống, trong trường hợp này, là các thông số đặt cho tất cả các rơle bảo vệ trong trạm biến áp. Dữ liệu xuất ra có thể được đọc, chỉnh sửa theo yêu cầu và hiển thị bởi hầu hết các phần mềm bên ngoài. Vattenfall sử dụng phần mềm Microsoft Excel. Trong một bảng tính, các thông số của rơle bảo vệ được trình bày bổ sung cho các thông số đặt của chúng theo các phương án đối với hệ thống hoạt động và hệ thống dự phòng. Mỗi khi thay đổi thông số, file lưu trữ các thông số đặt trước đó được lưu lại, và các giá trị này cũng được trình bày trong bảng tính. Chỉ cần nhấn một nút bấm là có thể hiển thị mọi khác biệt về thông số đặt (khoảng 16.000 giá trị) và mọi chế độ đặt trước đây.

Chức năng thứ hai, “truyền thông giữa các trạm biến áp”, được thiết kế để thực hiện tương tác về chức năng bảo vệ giữa hai trạm liền kề sử dụng giao thức TCP/IP. Điều này đạt được nhờ lắp đặt một PC tại trạm 130 kV liền kề. Một hệ thống bảo vệ so lệch đường dây đã được phát triển và cài đặt trong các máy tính của hai trạm biến áp này. Dữ liệu đo thời gian thực được gửi giữa hai trạm thông qua một đường liên kết truyền thông chung theo thuật toán so lệch đường dây, thuật toán này tính toán dòng so lệch và gửi tín hiệu tác động tới PAM ngay sau khi nhận diện được sự cố nội bộ đường dây.

Phần mềm cơ bản của hệ thống và phần mềm ứng dụng đã được chuẩn bị và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và được phân phối ở dạng gói chương trình mở rộng (add-on) có thể được “thả” vào phần mềm hệ thống. Việc thực thi các chức năng tại hiện trường rất dễ dàng vì không cần dây nối. Bởi vậy, việc nâng cấp phần mềm hệ thống đã được hoàn thành mà không cần ngắt hệ thống bảo vệ.


Công việc trong tương lai

Hiện tại, phần mềm một chiều mà công ty Vattenfall đang sử dụng được tối ưu hoá để điều khiển bộ biến đổi điện chứ không phải là cho trạm biến áp xoay chiều. Theo nhà chế tạo, cần  tiếp tục phát triển phần mềm này mới có thể được đưa nó vào sử dụng như một giải pháp PC phổ biến.

Một bus qui trình chuẩn hoá là điều kiện tiên quyết để phát triển một sản phẩm thương mại. Việc đưa vào áp dụng bus qui trình theo tiêu chuẩn IEC 61850-9-2 sẽ mở ra khả năng sử dụng cũng các mođun I/O đó nhưng cho nhiều hệ thống. Điều này làm tăng tính linh hoạt và cho phép đưa vào áp dụng các hệ thống bổ sung.

Trong tương lai, thay thế một hệ thống tích hợp có sẵn bằng một hệ thống tích hợp mới chắc chắn sẽ mất ít thời gian hơn nhiều so với hiện nay. Việc bớt phải bố trí lại dây cáp và khả năng sử dụng lại card I/O có sẵn sẽ rút ngắn thời gian lắp đặt.

Khả năng nâng cấp ứng dụng và phần mềm hệ thống từ xa là một ứng dụng hữu ích, nhưng có sự quan ngại về bảo mật công nghệ thông tin. Điều này cần được vận dụng một cách cẩn thận, cụ thể như bằng cách kiểm tra hàng năm mỗi trạm biến áp với một CD cập nhật.

Kinh nghiệm vận hành

Kinh nghiệm của Vattenfall cho thấy các hệ thống bảo vệ và điều khiển tích hợp dựa trên PC có nhiều ưu điểm so với các hệ thống truyền thống. Ưu điểm quan trọng nhất là linh hoạt trong việc sửa đổi và bổ sung các chức năng của hệ thống bảo vệ và điều khiển trạm biến áp. Hơn nữa, có thể áp dụng chức năng tăng cường trong các trạm biến áp nhỏ với chi phí thấp.

Nhiều cấu hình khác nhau đã được sử dụng trong các công trình lắp đặt khác nhau, và các cấu hình này đã đáp ứng các yêu cầu về tính sẵn sàng và độ tin cậy đặt ra cho mỗi công trình này. So sánh với các kỹ thuật cũ, chủ yếu là kỹ thuật analog mà phần lớn vẫn còn được sử dụng tại Thụy Điển thì hiển nhiên là hệ thống máy tính hoá yêu cầu hiểu biết về công nghệ thông tin hiện đại. Đây không phải là vấn đề chỉ riêng đối với các hệ thống bảo vệ và điều khiển tích hợp dựa trên nền PC, mà cả đối với các hệ thống máy tính hoá khác. Vì vậy, tin học và đào tạo là vấn đề quan trọng để đảm bảo nhân viên chấp nhận và làm quen với công nghệ mới này.

Cuối cùng, tăng cường sử dụng máy tính công nghiệp tiêu chuẩn hoá và môđun I/O tiêu chuẩn hoá sẽ tạo điều kiện cạnh tranh, nhiều nhà cung cấp có cơ hội chào bán thiết bị.


Theo KHCN Điện số 3/2008