|
Hệ thống điều khiển tự động trạm biến áp
Giống như phần lớn các trạm 345 kV khác, trạm biến áp Fort Thompson là một trạm lớn. Có những đoạn cáp phải thay thế dài tới 1000 feet (300 m). Vào thời điểm dự án, giá của cáp có vỏ bảo vệ 12/C#10 là khoảng 2 USD/foot (khoảng 6,6 USD một mét).
Dự án cần tới 17.000 feet (5.100 m) cáp 12/C, vì vậy phương án sử dụng cáp quang đã được cân nhắc lựa chọn. Western xác định rằng họ có thể thay 5.100 m cáp đồng 12/C này bằng 2.700 feet (810 m) cáp quang. Giá cáp quang 24 sợi vào thời đó là 1,84 USD/foot (khoảng 5,5 USD một mét). Như vậy tiết kiệm trước được 29.000 USD, khoản này dành để chi cho nhu cầu phần cứng bổ sung khi sử dụng cáp quang. Điều này cho thấy cáp quang có giá thành cạnh tranh so với cáp đồng trong trạm biến áp.
Cáp quang cần được lắp đặt tới từng máy cắt, máy biến áp và cuộn kháng. Hệ thống điều khiển cắt mạch thao tác bằng động cơ (Motor-operated Disconnect - MOD) và đầu vào sẽ được đấu dây bằng cáp đồng nối từ MOD tới máy cắt liên quan ở đó cần lắp đặt một cơ cấu I/O đặt xa để ghép nối cả hai MOD liên quan đến máy cắt. Tại các máy biến áp, các tín hiệu về tình trạng báo động và tác động do áp lực tăng đột ngột, tăng nhiệt độ cuộn dây, mức dầu thấp sẽ được đấu nối tới thiết bị I/O đặt xa và gửi về nhà điều khiển qua cáp quang. Đấu nối thiết bị điều khiển MOD và MOI (motor-operated interrupter - cầu dao phụ tải thao tác bằng động cơ) với các thiết bị chính sẽ tiết kiệm được số đầu nối cáp quang. Sẽ tiết kiệm được một lượng lớn cáp đồng do MOD được đặt gần máy cắt, bớt được tới 1000 feet (300 m) cáp 12/C cho mỗi MOD lắp từ nhà điều khiển.
 Hệ thống điều khiển cắt mạch thao tác bằng động cơ
Sử dụng cáp quang cho phép đưa các tín hiệu số đầu vào vào DCS tại các thiết bị. Western ước tính sẽ giảm được ít nhất 75% số đầu nối cáp điện một chiều. Lưu ý rằng mỗi dây cáp phải được lắp bộ đầu nối ở hai đầu, trong trường hợp này là tới khối đầu nối trong tòa nhà, sau đó là tới khối đầu nối trong RTU, cuối cùng là tới RTU. Tất cả sẽ được thay thế bằng một dây dẫn tủ bảng duy nhất tại thiết bị riêng lẻ này.
Cùng thời điểm này, bộ xử lý logic bắt đầu có mặt trên thị trường. Thiết bị này cho phép các đầu vào số được phân phối theo thời gian thực giữa các rơle, và cung cấp thông tin theo thứ tự sự kiện (sequence-of-event - SOE) cho RTU. Bộ xử lý logic cho phép tiếp điểm 52a duy nhất từ máy cắt truyền tín hiệu số qua đường link thông tin tới rơle sơ cấp, rơle thứ cấp, rơle sự cố máy cắt, và RTU. Điều này làm giảm hơn nữa số đầu cuối cần thiết của các dây dẫn.
Bộ xử lý logic cũng được dùng nhằm tạo ra hệ thống bảo vệ số mở rộng, kết nối tất cả các thiết bị lại với nhau để tạo nên một hệ thống bảo vệ tích hợp mở rộng.
Do bộ xử lý logic sẽ được dùng cho thông tin SOE, nó phải nhận được thông số vận hành của rơle số. Chính thông tin này sẽ được gửi tới rơle sự cố máy cắt để khởi động sự cố máy cắt. Nhờ sử dụng bộ xử lý logic, có thể loại bỏ các chuỗi lệnh đóng qua các tủ điều khiển và đường dẫn khởi động sự cố máy cắt. Tất cả những loại logic cứng sẽ được thay thế bằng cáp EIA-232 và những cài đặt khác.
Chức năng hồi cố
Ngay từ đầu dự án thí điểm, Western đã có kênh thông tin với đội ngũ vận hành, họ cung cấp cho nhà sản xuất những phản hồi về yêu cầu vận hành của mình.
Theo yêu cầu, các hệ thống điều khiển được thiết lập với độ dư thừa bởi vì đối với thiết kế mới, có sự quan ngại về khả năng phản ứng với sự cố thiết bị và khả năng sửa sự cố. Cũng vì lý do này, người ta sử dụng máy tính HMI dư thừa, nguồn điện dự phòng dư thừa và ổ cứng chạy các bộ điều khiển RAID 1 (Redundant Array of Independent Drives). Trung tâm mới của hệ thống, bộ xử lý thông tin, đã có giao thức Modbus Plus, vì vậy môđun thiết kế HMI trước đây của Western, cũng được dựng trên giao thức này trong PLC, đã được sử dụng, chỉ phải chỉnh sửa rất ít.
Địa điểm tốt
Trạm biến áp Fort Thompson được coi là địa điểm tốt cho dự án thí điểm bởi vì trạm này tương đối nhỏ. Tổng cộng có 7 máy cắt và 13 bộ cầu dao sẽ được đặt dưới sự điều khiển của DCS. Như vậy phải lắp đặt cáp quang tới 11 thiết bị, một số lượng dễ kiểm soát. Diện tích trạm rất thuận lợi cho sử dụng cáp quang, vì sẽ giảm được nhiều cáp đồng. Và cuối cùng là dự án được hỗ trợ rất lớn từ bộ phận thông tin của Western, đơn vị này đã lắp đặt và thực hiện các đầu nối cáp quang.
Thiết kế DCS
Thiết bị điều khiển
Bộ phận vận hành của Western yêu cầu khả năng cắt và đóng trở lại trong trường hợp sự cố thiết bị. Vì vậy, Western thiết kế bộ phận điều khiển dư thừa, đây là dạng thiết kế tự động hoá tiêu chuẩn nhằm loại trừ các điểm sự cố. Các tuyến điều khiển dư thừa được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp bộ xử lý thông tin hai cấp. Bộ xử lý thông tin cấp 1 nhận lệnh SCADA và phân phối lệnh này thông qua dữ liệu toàn cầu trên mạng Modbus Plus tới bộ xử lý thông tin cấp 2. Điều này tạo ra một điểm sự cố về SCADA với bộ xử lý thông tin cấp 1, nhưng với thời gian trung bình giữa hai sự cố (MTBF) là trên 200 năm, rủi ro này được chấp nhận và còn tốt hơn nhiều so với các RTU duy nhất hoặc dư thừa.
 Thiết bị I/O bên phải thực hiện các lệnh cắt và đóng các MOD. Nó cũng cung cấp thông tin cho DCS về trạng thái của 43LR, 52a và 52b. Thiết bị I/O bên trái cung cấp đầu vào cho DCS đối với các má cắt điện riêng lẻ.
Từ các bộ xử lý thông tin cấp 2, các tín hiệu điều khiển được truyền tới các rơle bảo vệ độc lập. Từ các rơle bảo vệ, các tín hiệu dương, âm, cắt lần 1, cắt lần 2 và đóng lại được nối cứng bằng dây cáp 5/C tới máy cắt. Phần lớn tín hiệu cắt bảo vệ máy cắt được nối cứng từ các rơle bảo vệ. Một số tín hiệu cắt bảo vệ thanh cái được kết nối từ rơle này tới rơle khác thông qua bộ xử lý logic. Trong thiết kế này bộ rơle bảo vệ Set A và rơle sự cố máy cắt chính là các tuyến điều khiển dư thừa của máy cắt 345 kV. Rơle sự cố máy cắt độc lập cũng trực tiếp điều khiển sự tác động của các MOD liền kề tới máy cắt thông qua cáp quang.
Trong thiết kế này có 11 MOD và hai bộ điều khiển cầu dao phụ tải tác động bằng động cơ (MOI).
Chỉ có điện 1 chiều được sử dụng trong thiết bị MOD; việc điều khiển thực hiện bằng các cơ cấu I/O ở xa kết nối cáp quang. Các lệnh đóng/mở gửi thông qua sợi quang từ rơle sự cố máy cắt độc lập tới các cơ cấu I/O đặt xa.
Các lệnh đóng trở lại, lệnh đường dây nóng (hot-line order), các trạng thái đồng bộ hoá và tại chỗ/giám sát đối với từng máy cắt được duy trì bằng các bit chuyển trạng thái (latch bit) trong các rơle riêng lẻ. Các bit chuyển trạng thái này được dùng trong logic bên trong của các rơle bảo vệ nhằm thực hiện chức năng điều khiển.
Các hoạt động điều khiển HMI được gửi tới bộ xử lý thông tin cấp 2 thông qua mạng Modbus Plus. Việc này có thể thực hiện được ngay cả khi sự cố xảy ra ở bất kỳ hộp nào trong hệ thống mà vẫn duy trì điều khiển tại chỗ.
Máy tính trạm biến áp
Thiết kế phần cứng
Công ty điện lực Western đã sử dụng phần mềm Wonderware làm HMI trong thiết kế số hóa của mình nhiều năm. Nhìn chung do đội ngũ lao động có hiểu biết hạn chế về phần mềm và máy tính cùng với những lo ngại liên quan về khả năng phản ứng lại với sự cố thiết bị, Western đã chọn một máy tính công nghiệp. Western đã mua nhiều PC dư thừa với nguồn điện dự phòng có thể hoán đổi và các ổ cứng dư thừa có thể hoán đổi. Các ổ cứng sử dụng bộ điều khiển RAID1 dạng SCSI để nhân bản các ổ cứng. Các PC được lắp trên giá trong tủ điều khiển. Để cách ly các PC khỏi các xung đột biến và cấp nguồn cho PC, Western lắp đặt các bộ biến đổi điện áp DC-AC, thường dùng AC nhưng có thể chuyển sang DC khi mất AC. Bộ biến đổi này là nguồn cung cấp điện vạn năng do nó có thể đổi nguồn cấp điện mà không làm gián đoạn nguồn cung cấp điện cho PC. Một bộ chuyển mạch bàn phím, màn hình, chuột (keyboard, video, mouse - KVM device) nối PC tới một bộ duy nhất các thiết bị ngoại vi gồm màn hình LCD, bàn phím, và chuột.
Thiết kế ứng dụng HMI
Western sử dụng màn hình đôi làm giao diện người máy (HMI). Màn hình bên trái biểu thị sơ đồ một dây của trạm biến áp cùng với trạng thái.
Công ty cũng sử dụng các nút ấn trên màn hình bên trái để điền các biến số khác nhau vào template màn hình bên phải cho bộ điều khiển PCB. Các nút bấm sẽ nổi lên khi con trỏ di vào bên trên. Các trạng thái 43LS, 79, và 85 được thể hiện trực tiếp trên màn hình. Các trạng thái tương ứng 43LR, 52a, và 52b làm chuyển màu phần biểu thị trạng thái máy cắt. Khi trạng thái 43LR nằm ở vị trí tại chỗ ở trong máy cắt, hộp trạng thái máy cắt có màu xám, với chữ M (có nghĩa bảo dưỡng) độc lập với vị trí máy cắt. Máy cắt đóng có màu đỏ, mở màu xanh lá cây.
Quy trình Giải trừ hệ thống điện của Western nêu rõ hai qui trình đặt biển báo chính, một là cho HLO, hai là cho giải trừ. Western không đặt biển báo các điều khiển thiết bị đang giải trừ bằng các biển báo giải trừ hệ thống điện. Biển báo duy nhất được đưa vào HMI là dành cho các lệnh đường dây nóng. Biển báo HLO cho thấy việc đóng lại bị tắt đi và mạch đóng máy cắt đã bị gián đoạn.
Trong hệ thống HMI, biển báo HLO không thể bật lên khi việc tự động đóng lại đang làm việc. HLO được thể hiện trên màn hình sơ đồ một sợi bằng một biển báo màu vàng và chỉ dẫn nhấp nháy trên màn hình điều khiển PCB. Nếu chọn chức năng đóng lại, trên màn hình hiển thị cảnh báo HLO, ngăn ngừa việc đóng lại.
Màn hình điều khiển PCB có phần thể hiện mỗi chức năng bằng một chuyển mạch thực. Thể hiện bằng chuyển mạch là để HMI mang tính trực quan. Màn hình điều khiển PCB là như nhau cho mọi thiết bị, nhưng chỉ nhìn thấy được và thao tác được những chức năng thích hợp. Lấy ví dụ, chức năng 85 không thể thực hiện trên máy cắt dành riêng cho máy biến áp, hoặc lệnh đóng trở lại máy cắt cuộn kháng cũng không thực hiện được. HMI thực hiện bằng cách gửi lệnh tới các rơle bảo vệ và sau đó đọc hiện trạng thông qua bộ vi xử lý thông tin để thực hiện những thay đổi trên màn hình HMI. Các núm chuyển mạch xoay đi và đèn thay đổi màu sắc để thể hiện chính xác trạng thái thích hợp trên màn hình điều khiển PCB.
|