Các thành phần của hệ thống SCADA
Ở mức độ cao, hệ thống tự động phân phối bao gồm ba thành phần chính:
Ứng dụng và máy chủ SCADA
Ứng dụng và máy chủ hệ thống quản lý phân phối điện DMS
Ứng dụng và máy chủ quản lý sự cố
SCADA Phân phối
Như đã nêu trong tiêu đề, hệ thống kiểm soát Kiểm soát và thu thập dữ liệu (Supervisory Control And Data Acquisition - SCADA) là trung tâm của hệ thống quản lý phân phối (Distribution Management System DMS).
Hệ thống SCADA phải có tất cả các yếu tố cơ sở hạ tầng hỗ trợ các tính chất đa diện của tự động hóa phân phối và các ứng dụng mức độ cao của DMS. Chức năng chính của hệ thống phân phối SCADA là hỗ trợ từ xa hoạt động phân phối, cảnh báo, lưu trữ sự kiện và điều khiển thiết bị từ xa.
Hệ thống SCADA hiện đại hỗ trợ kỹ thuật tính toán chi phí và chức năng lập kế hoạch ngân sách bằng cách cung cấp truy cập vào hệ thống dữ liệu điện mà không cần phải có sở hữu của một máy trạm hoạt động.
Các thành phần chính của hệ thống SCADA:
máy chủ lưu trữ dữ liệu
Cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc (mạng và truyền thông)
Thiết bị tại trạm (với số lượng đủ để hoạt động và yêu cầu hỗ trợ từ xa cho DMS)
Máy chủ lưu trữ dữ liệu Host Equiments
Các yêu cầu cần thiết của một máy chủ lưu trữ dữ liệu SCADA là:
Máy chủ lưu trữ dữ liệu (máy chủ dự phòng với khả năng sao lưu / chuyển đổi dự phòng).
Kết nối đến các điểm thiết bị, nút mạng.
Giao diện người dùng đồ họa.
Máy chủ cơ sở dữ liệu quan hệ (lưu trữ các giá trị hệ thống điện) và máy chủ dữ liệu máy chủ / Web (để truy cập vào các giá trị thời gian thực và các sự kiện).
Các yếu tố và các thành phần của hệ thống tự động phân phối điển hình được minh họa trong hình 1 ở trên.
Máy chủ SCADA
Máy chủ SCADA đã chứng minh giá trị của nó hoạt động trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, khôi phục lại dịch vụ, và các hoạt động hàng ngày, tạo ra hệ thống có hiệu suất hoạt động và dự phòng cao. Dự phòng phần cứng máy chủ trong một chế độ "sống" sao lưu / chuyển đổi dự phòng là cần thiết để đáp ứng các tiêu chuẩn sẵn sàng cao.
Máy chủ hiệu suất cao với bộ nhớ vật lý lớn, hệ thống đĩa cứng RAID và kết nối 10/100 BaseT Ethernet là điển hình cho máy chủ của SCADA.
Bộ xử lý truyền thông Front-End (CFE)
Máy chủ lưu trữ thông tin liên lạc với thiết bị hiện trường phụ thuộc rất nhiều vào truyền thông nối tiếp.
Truyền thông nối tiếp phụ thuộc CFE. CFE có nhiều hình thức dựa trên kiến trúc bus (ví dụ, VME hoặc PCI) và hệ điều hành. Vị trí của CFE liên quan đến máy chủ SCADA. Trong một số cấu hình CFE được đặt trên mạng LAN với máy chủ SCADA. Trong trường hợp khác, CFE có thể nằm tại các HUB thông tin khác.
Sự kết hợp mạng WAN vào kiến trúc đòi hỏi ứng dụng CFE mạnh mẽ hơn để bù đắp cho giao tiếp truyền thông ít đáng tin cậy (so với mạng LAN).
Nói chung CFE sẽ bao gồm ba thiết bị chức năng:
Card mạng / CPU board,
Card serial
Có thể thêm bộ thu đồng bộ thời gian.
Chức năng bao gồm khả năng tải cấu hình và quét bảng. CFE cũng hỗ trợ khả năng báo giá trị chết (tức là chỉ báo cáo những giá trị tương tự đã thay đổi với số lượng theo người dùng định trước).
CFE, mạng, và các máy chủ SCADA phải có khả năng hoạt động trong các điều kiện xấu nhất (ví dụ, tất cả các điểm thay đổi bên ngoài giới hạn băng chết), thường xảy ra khi có rối loạn hệ thống nghiêm trọng.
Giao diện đồ họa người dùng
Xu hướng hiện nay là hướng tới giao diện đồ họa toàn diện. Điều khiển console chỉ dùng cho một số các tiện ích, còn phần lớn giao diện SCADA đang chuyển sang dùng đồ họa đầy đủ.
Các hãng SCADA dùng hệ điều hành NT máy trạm cho chi phí thấp hơn so với hệ thống X11 Windows.
Đồ họa giúp hiển thị dữ liệu hệ thống điện cùng với các cơ sở phân phối điện theo địa lý. Lợi thế của việc sử dụng một giao diện đồ họa đầy đủ là hiển nhiên vì SCADA coi mạng lưới phân phối, trạm biến áp chỉ là đối tượng trên sơ đồ.
Cơ sở dữ liệu quan hệ, máy chủ dữ liệu, máy chủ Web
Các hệ thống SCADA truyền thống rất kém trong khả năng trao đổi dữ liệu nếu không trực tiếp truy nhập vào hệ thống SCADA qua màn hình điều khiển.
Điều này xảy ra do tính chất hạn chế của hiệu suất bộ nhớ cơ sở dữ liệu và thiết kế tối ưu cho việc quét dữ liệu và hiển thị.
Việc lưu trữ dữ liệu hoạt động hệ thống (log) và rất quan trọng cho phân tích khi có sự cố. Việc sử dụng cơ sở dữ liệu quan hệ, máy chủ dữ liệu, và máy chủ Web giúp cung cấp thông tin dữ liệu năng lượng trong khi vẫn cô lập được truy nhập trái phép từ người dùng không có quyền.
Kết nối thông tin đến thiết bị hiện trường
Kết nối thông tin đến thiết bị có thể dùng các phương pháp khác nhau: cáp đồng, cáp quang, vô tuyến, và thậm chí cả liên lạc vệ tinh. Các mạng thoại, cáp quang, liên lạc vệ tinh đều có chi phí cao. Công nghệ vô tuyến thế hệ mới cho kết nối thông tin tốt hơn.
Công nghệ tốt nhất hiện nay là công nghệ vô tuyến đa địa chỉ Multiple Address Radio System (MAS).
MAS hoạt động ở dải tần 900 MHz và đa hướng, cung cấp vùng phủ sóng trong khu vực có bán kính lên tới 20-25 dặm tùy thuộc vào địa hình. Một máy chủ vô tuyến MAS đơn kênh có thể giao tiếp với nhiều trạm từ xa. Giao thức và băng thông của thiết bị đầu cuối từ xa có thể cấu hình từ máy phát chủ. Nhược điểm duy nhất của giao thức này là giới hạn địa chỉ hỗ trợ.
Giới hạn băng thông có thể được bù đắp bằng việc sử dụng các giao thức hiệu quả, hoặc làm chậm lại tốc độ quét các thiết bị ở xa. Dải phổ và vô tuyến điểm - điểm (kết hợp với MAS) cho phép xác định các lỗi về truyền thông.
Tại thời điểm hiện tại vô tuyến MAS đang chuyển sang công nghệ chuyển mạch gói; Công nghệ vô tuyến MAS cho giá trị timeout nhỏ hơn trên các kết nối và điều khiển không trả lời.
Thiết bị hiện trường
Thiết bị Tự động hóa phân phối (DA) hiện trường đa tính năng cài đặt đáp ứng các hoạt động điều khiển, vận hành, lập kế hoạch, và theo dõi hiệu năng.
Mỗi thiết bị cung cấp chức năng cụ thể, hỗ trợ hoạt động hệ thống, bao gồm phát hiện lỗi, thu thập dữ liệu lập kế hoạch và ghi lại thông tin chất lượng điện năng. Các thiết bị này được lắp đặt trong các trạm biến áp phân phối và tại các địa điểm chọn dọc theo đường dây. Khả năng đa tính năng của thiết bị DA hỗ trợ việc tích hợp vào hệ thống phân phối điện.
Các chức năng và khả năng hoạt động được chọn liên quan đến việc kiểm soát và hoạt động của hệ thống phân phối điện.
Tính năng phát hiện lỗi là "mắt và tai" cho các nhân viên điều hành. Khả năng phát hiện lỗi ngày càng trở nên hữu ích với việc sử dụng thiết bị DA trên lưới điện phân phối.
Dữ liệu thời gian thực thu thập bởi hệ thống SCADA được cung cấp cho các kỹ sư lập kế hoạch. Khi hệ thống phân phối tiếp tục phát triển, công ty năng lượng dành các khoản đầu tư hàng năm để cải thiện hệ thống phân phối điện để duy trì đầy đủ trang thiết bị đáp ứng các yêu cầu tăng tải.
Việc sử dụng dữ liệu thời gian thực cho phép các kỹ sư có kế hoạch tối ưu hóa chi phí vốn hàng năm cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của hệ thống phân phối điện.
Thông tin chất lượng điện chủ yếu đánh giá thông qua độ méo sóng hài Percent Total Harmonic Distortion (%THD).
RTU Hiện đại
RTU hiện đại được thiết kế dưới dạng modun với khả năng tiên tiến hỗ trợ các chức năng từ trước đến nay không có bao gồm trong thiết kế RTU.
Thiết kế kiểu mô-đun hỗ trợ cấu hình lắp đặt khác nhau, từ điểm nhỏ dành cho đường dây phân phối gắn trên cột đến số lượng lớn cho trạm công suất lớn hoặc trạm điện nhà máy.
RTU mô-đun hiện đại bao gồm các modun tương tự 9 điểm, modun điều khiển 4 cặp điểm điều khiển, modun trạng thái 16 điểm, modun truyền dẫn và nguồn cung cấp điện.
Lắp đặt RTU bằng cách tích hợp số lượng cần thiết các mô-đun RTU hiện đại để hỗ trợ tương tự, điều khiển, trạng thái, và truyền dẫn cho việc tự động hóa trạm.
Việc tự động hóa trạm có thể thực hiện bằng cách lắp đặt các RTU truyền thống tủ cabinet với kết nối đến thiết bị trong trạm hoặc lắp đặt tại các thiết bị trong trạm biến áp và dùng cáp quang kết nối modun.
Các mô-đun RTU phân tán được kết nối với thiết bị truyền dẫn dữ liệu tập trung kết nối với máy tính SCADA.
RTU hiện đại nhận đầu vào AC từ một loạt các thiết bị đo lường bao gồm: cảm biến dòng, biến thế dòng, máy biến áp trạm, và đầu dò. Đầu vào AC trực tiếp trên RTU hiện đại hỗ trợ phát hiện lỗi dòng và đo méo sóng hài. RTU hiện đại có khả năng báo cáo cường độ, hướng, và thời gian dòng lỗi với thời gian của sự kiện lỗi 1 mili giây. Theo dõi và báo cáo độ méo trong lưới điện phân phối là tính năng mới trong RTU hiện đại.
Khả năng xử lý tín hiệu kỹ thuật số của RTU hiện đại hỗ trợ các tính toán cần thiết báo cáo% THD cho mỗi phép đo điện áp và dòng tại đường dây phân phối tự động hoặc trạm biến áp.
RTU hiện đại bao gồm khả năng logic hỗ trợ việc tạo ra các thuật toán để đáp ứng nhu cầu vận hành cụ thể.
Chương trình tự động chuyển được xây dựng bằng cách sử dụng thiết bị chuyển mạch tự động và các RTUs hiện đại với khả năng logic. Khả năng cho phép kỹ sư đường dây phát triển các phương thức xử lý và ghi lại quá tải.
Khả năng logic trong RTU hiện đại được sử dụng để tạo ra các thuật toán để kiểm soát đường dây phân phối bật tụ điện hoạt động cho từng pha cho mỗi giai đoạn. Các tụ được bật khi chỉ số điện thế chéo không và tắt khi chỉ số dòng chéo bằng không.
Thuật toán thiết kế bật tụ điện dựa trên các thông số hệ thống khác nhau, chẳng hạn như điện thế, tải phản ứng, thời gian .... Khả năng điều khiển từ xa của RTU hiện đại cho phép nhân viên vận hành kiểm soát các tụ điện để đáp ứng nhu cầu tải hệ thống.
RTU hiện đại đã trở thành một thiết bị năng động với khả năng ngày càng nhiều. Các logic mới và khả năng đầu mới đang được trang bị để mở rộng việc sử dụng và các ứng dụng của RTU hiện đại.
Thiết bị PLC và IED
Bộ điều khiển logic Lập trình được (Programmable Logic Controller - PLC) và thiết bị điện tử thông minh ( Intelligent Electronic Device - IED) là thành phần của lưới phân phối tự động, đáp ứng điều hành và thu thập dữ liệu.
Tuy có một số chức năng chồng chéo với RTU hiện đại, người dùng đã quen với việc sử dụng PLC cho việc cách ly tự động của các máy biến áp điện bị sự cố và tự động chuyển tải cho các máy biến áp điện không bị sự cố để tăng độ tin cậy.
PLC kết hợp với RTU hiện đại trong trạm biến áp để thực hiện các chức năng điều khiển từ xa trạm biến áp.
PLC hỗ trợ các giao tiếp nối tiếp đến máy chủ SCADA. RTU hiện đại, sẽ giao tiếp qua cổng RS-232 với PLC.
EDS bao gồm công tơ điện tử, rơ le điện tử, thiết bị điều khiển trạm biến áp, máy cắt, điều chỉnh, LTC trên máy biến áp điện, ..
IED cũng có khả năng hỗ trợ các giao tiếp nối tiếp đến máy chủ SCADA. Tuy nhiên, theo kinh nghiệm thì IED thường được báo cáo đến RTU hiện đại thông qua giao diện RS-232 hoặc điểm dữ liệu đầu ra.