Hệ thống điều khiển tự động trạm biến áp
Thường thì khi xây dựng trạm biến áp mới, có thể dễ dàng giải trình chi phí phải trả cho việc tích hợp và tự động hoá các hệ thống nhưng đối với một dự án cải tạo, biện minh cho việc nâng cấp hệ thống tự động hoá nói chung khó hơn nhiều. Tuy nhiên, những tiến bộ mới đây về khả năng tích hợp các rơle bảo vệ vi xử lý, và các thiết bị điện tử thông minh (Intelligent Electronic Device - IED) trong trạm biến áp đã khiến cho việc việc nâng cấp toàn bộ hệ thống tích hợp, kể cả hệ thống tự động hóa, trở nên hiệu quả về chi phí so với việc thay thế chọn lọc các IED, đi dây, và thử nghiệm.
Bài báo này mô tả phần luận chứng và những thách thức đặc biệt trong việc tự động hoá trạm biến áp hiện có.
Bài báo cũng thảo luận về ý tưởng thiết kế hệ thống tổng thể của các sơ đồ tích hợp và tự động hoá được áp dụng. Các vấn đề đưa ra trong bài báo bao gồm:
· Sử dụng rộng rãi cáp quang thay cho toàn bộ dây dẫn điều khiển trong trạm biến áp;
· Sử dụng rộng rãi các thiết bị bảo vệ đa chức năng nhằm loại bỏ các dây dẫn và thiết bị cần có theo thiết kế truyền thống;
· Thay thế các rơle “khóa nối cứng” (hardwired lockout relay) bằng rơle logic “mềm”;
· Loại trừ I/O nối cứng tới RTU;
· Các công cụ quản lý dự án được sử dụng để đảm bảo tiến độ hoàn thành và cân bằng ngân sách;
· Những khó khăn trong việc thiết kế màn hình giao diện phục vụ người vận hành;
· Tác động lên lực lượng lao động khi chuyển sang sử dụng trạm biến áp hoàn toàn tự động;
· Kết quả thu được khi thử nghiệm và đưa vào vận hành trạm biến áp.
Lời giới thiệu
Công ty điện lực Western kinh doanh và cung cấp điện năng tin cậy, với giá dựa trên chi phí từ nguồn thủy điện, và cung cấp các dịch vụ liên quan trong phạm vi 15 bang thuộc Miền Trung và Miền Tây Hoa Kỳ. Đây là một trong bốn công ty kinh doanh điện trực thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, có chức năng kinh doanh và truyền tải điện từ các dự án thủy lợi đa mục tiêu. Hệ thống truyền tải của Western khai thác điện năng từ 55 nhà máy thủy điện do một số cơ quan điều hành. Tổng công suất của các nhà máy này là 10.600 MW.
Western khởi động các dự án tự động hóa với mục tiêu giảm chi phí xây dựng các trạm biến áp mới. Theo ước tính của Western, điều này sẽ tiết kiệm được 40%, riêng về chi phí và quy mô xây dựng. Western cũng ước tính có thể tiết kiệm được một khoản tương đương đối với chi phí tủ bảng điều khiển với hệ thống điều khiển số tích hợp.
Western bắt đầu triển khai áp dụng hệ thống điều khiển dạng PLC (programmable logic controller — bộ điều khiển có thể lập trình) vào năm 1996, trong một dự án thí điểm tại trạm biến áp 230 kV Fort Thompson. Trạm thí điểm gồm có 4 đường dây 230 kV sơ đồ thanh cái một máy cắt rưỡi. Trong thiết kế ban đầu chỉ thay thế duy nhất dây dẫn điều khiển trạm biến áp và không bao gồm hệ thống bảo vệ trong dự án này. Hệ thống PLC có máy tính chủ chạy ứng dụng phần mềm Wonderware InTouch làm giao diện người-máy (human-machine interface - HMI) cho hệ thống theo dõi và điều khiển tại chỗ. Sau khi hiệu chỉnh các thiết kế ban đầu, thiết kế PLC trở thành thiết kế chuẩn và được áp dụng ở 20 trạm biến áp trong vùng dịch vụ của Western.
Chẳng bao lâu sau khi lắp đặt các công trình này, Western bắt đầu tìm kiếm các phương án thay thế hệ thống PLC. Năm 1998, Western tham dự buổi giới thiệu và trình diễn thiết kế hệ thống tích hợp của Công ty điện lực Philadelphia (PECO). Công nhân cơ khí bộ phận đo đếm và rơle (M&R) ở Western cảm thấy không thoải mái và tự tin khi làm việc trên PLC và logic bậc thang (ladder logic), nhưng đối với rơle vi xử lý thì họ lại cảm thấy thoải mái. Western cũng gặp phải những trường hợp lỗi trong điều khiển sử dụng PLC liên quan đến sử dụng giao diện giao thức với SCADA. Western cảm thấy rằng nếu chuyển đổi chức năng điều khiển từ PLC sang rơle vi xử lý và bộ xử lý thông tin thì sẽ giải quyết được các vấn đề về độ tin cậy và sự thoải mái trong vận hành mà các nhân viên bộ phận M&R đã gặp phải với PLC. Cuối cùng, Western lựa chọn giải pháp có độ tin cậy cao là kết hợp các rơle vi xử lý và bộ xử lý thông tin thành hệ thống điều khiển số (Digital Control System - DCS) mới, thay thế cho nền dựa trên PLC và áp dụng thí điểm tại trạm biến áp Fort Thompson. Như đã từng áp dụng trong dự án PLC mấy năm trước đây, trạm thí điểm này gồm có 4 đường dây 230 kV với sơ đồ thanh cái một máy cắt rưỡi.
Công ty điện lực Western (Mỹ)
Khi chuyển đổi từ hệ thống điều khiển PLC thành hệ thống điều khiển DCS, Western cũng quyết định lắp đặt thêm một số phần tử bảo vệ, còn gọi là khóa cứng, cho hệ thống DCS. Kinh nghiệm từ hệ thống điều khiển PLC cho thấy trộn lẫn kỹ thuật số và logic cứng sẽ khiến mọi sự phức tạp hơn. Do những vấn đề về thiết kế và qui trình chế tạo, thời gian trung bình giữa hai lần sự cố (MTBF) và yêu cầu môi trường của hệ thống PLC, Western thấy không yên tâm khi lắp đặt bất kỳ chức năng bảo vệ nào trong hệ thống PLC. Và vì hệ thống DCS sử dụng rơle vi xử lý để điều khiển, nên dường như sẽ là tự nhiên khi lắp đặt chức năng khoá cứng vào hệ thống. Western chọn một rơle vi xử lý báo sự cố máy cắt duy nhất làm điểm “đầu vào” hệ thống DCS. Các đầu ra từ hệ thống DCS dùng các tiếp điểm từ rơle sự cố máy cắt và một trong các rơle đường dây làm tuyến điều khiển dự phòng cho máy cắt. Bộ xử lý thông tin được dùng trong hệ thống làm giao diện cho SCADA và HMI.
Mặc dầu thiết kế DCS ban đầu này là bước đi đúng, nhưng rõ ràng là cần lặp lại phần thiết kế để nâng cao tính kinh tế và kết cấu đơn giản hơn.
Bước lặp lại tiếp theo là sử dụng thông tin cáp quang thay cho thông tin cáp đồng và bố trí lại các đầu vào hệ thống DCS thành các cơ cấu I/O ngoài trời (Field Input/Output Device) lắp gần thiết bị trạm thay vì ghép đôi các đầu vào với sơ đồ nối dây song song tới thiết bị điện tử thông minh (Intellegent Electronic Device - IED) tập trung. Như vậy, thông tin số tích hợp cho phép I/O của các IDE có thể sử dụng cho nhiều chức năng trong DCS. Một tiếp điểm 52a duy nhất của giá dự phòng máy cắt, được đấu với cơ cấu I/O ở xa, được sử dụng để cung cấp trạng thái này cho cả hệ thống, kể cả các chức năng bảo vệ.
Các điểm báo động chỉ được đấu với cơ cấu I/O tại thiết bị, thay vì được đấu dây riêng rẽ tới nhà điều khiển và nối vào một RTU.
Mô tả dự án
Sân phân phối 230 kV của trạm biến áp Fort Thompson
Quá trình vận hành cho thấy các máy biến áp 345/230 kV trong trạm 345 kV nên được cách ly với thanh cái chung, tạo nên cấu hình thanh cái mạch vòng 4 trạng thái. Việc này đòi hỏi bổ sung một máy cắt 345 kV và sửa đổi hệ thống thanh cái. Các bộ phận điều khiển và rơle của trạm biến áp phần lớn là những thiết bị nguyên thuỷ từ những năm 1960. Western quyết định thay thế tủ điều khiển bởi vì để có thể nâng cấp trạm lên tiêu chuẩn hiện nay của Western về SCADA thì phải thay đổi rất nhiều mạch đấu dây.
Trạm biến áp này được xây dựng trên nền đất không ổn định, có xu hướng dịch chuyển đáng kể, khiến nền móng của tòa nhà điều khiển bị nứt làm đôi. Do hiện tượng lún của hai nửa này, một vết nứt rộng 3 insơ (khoảng 8 cm) được tạo ra trên tường, và người ta phải phủ lên trên tấm thép để ngăn không cho chim chui vào.
Những vấn đề này khiến cho việc sửa chữa lại toà nhà không thực hiện được, do vậy nó được thay thế bằng một tòa nhà dạng môđun, tiết kiệm năng lượng, ít cần bảo dưỡng. Thiết kế DCS sử dụng rơle tích hợp nên tòa nhà này nhỏ hơn 40% vì những hệ thống tích hợp nhỏ hơn nhiều so với hệ thống điều khiển PLC và RTU truyền thống.
Qua năm tháng, nền đất yếu làm dịch chuyển giá cáp điều khiển, tạo nên các khe hở trên nắp. Chuột chui qua những khe hở này vào giá đỡ cáp, gây hư hại đáng kể cho lớp vỏ bọc của cáp điều khiển. Những cáp không có vỏ bọc bị chuột cắn hở ruột ở nhiều chỗ. Chủ đầu tư trạm biến áp đã nhất trí thay thế cáp điều khiển.
(Còn nữa)