Thiết bị điện thông minh IED đã được triển khai rộng rãi trong hệ thống tự động hoá và việc chuyển từ RTU sang IED là bằng chứng về khả năng tích hợp và tương tác của thiết bị IED. Ở đây sẽ chúng ta sẽ đề cập đến chức năng tiên tiến của IED dùng cho tự động hoá hệ thống điện.
IED giúp cho tủ điện từ nhiều thiết bị cơ điện đơn chức năng như relay, công tắc điều khiển .... chuyển thành một hộp điều khiển duy nhất. Ngoài ra IED bổ sung thêm tính năng như tự động giám sát mạch bên trong và ngoài thiết bị, đồng bộ thời gian thực giám sát sự cố, truy cập dữ liệu thiết bị và trạm, chức năng điều khiển lập trình logic, phần mềm chạy thử, cân chỉnh, báo cáo và phát hiện lỗi.
1. Vai trò của IED trong hệ thống điện
IED kết nối được với mạng LAN và có khả năng tự xử lý. Một số lớn thiết bị relay IED đang được sử dụng cho chức năng tự động hoá.
Thiết bị đo thông minh (smart meter) là dạng IED dùng cho nhà thông minh và bộ lập trình logic PLC là thiết bị IED dùng cho tự động hoá. Thiết bị ghi lỗi (Digital fault recorders -DFR) và RTU là thiết bị IED với khả năng truyền nhận dữ liệu số và khả năng tính toán được nạp sẵn.
IED là khối cơ bản để xây dựng hệ thống tự động hoá điện. Tuy nhiên không dễ dàng thay hết các RTU và các hệ thống khác bằng thiết bị IED mà cần có những phương pháp khác nhau để tích hợp hệ thống cũ và hệ thống mới.
2. Tính năng nâng cao của IED
2.1 Chức năng bảo vệ đi kèm tính toán phase
Chức năng bảo vệ là chức năng chính của rơ le IED, loại IED dựa trên cải tiến bộ xử lý của rơ le. Những loại IED mới có những cải tiến lớn nhằm tăng cường khả năng đo chính xác và ít thiết bị phụ trợ hơn.
Biến dòng phụ trợ không được sử dụng trong rơ le so lệch máy biến áp, vì rơ le mới có chức năng điều chỉnh sai lệch biến dòng, trong bộ phân tích có biến dòng biến áp sơ cấp. Tương tự như vậy với kĩ thuật, thuật toán so sánh số thì bản thân IED có khả năng phát hiện biến dòng sai lệch (CT mismatch), biến dòng nhảy vọt (CT inrush) và biến dòng bão hoà (CT saturation).
McLaren là người đầu tiên đưa ra rơ le hệ thống mở, theo đó các chức năng rơ le khác nhau được tạo ra dựa trên cùng nền tảng phần cứng nhưng lập trình lại bộ vi xử lý. Các rơ le hiện đại đều được phát triển theo hướng này. Thiết kế rơ le số tổng quát dựa trên thiết kế rơ le mở bao gồm một tập các module phần cứng và phần mềm chức năng của rơ le số và số hoá hiện đại.
Với mô hình rơ le số tổng quát (hình 2) người ta có thể tạo ra rơ le số hoá hiện đại và rơ le số hoá.
Hình 2 - Cấu trúc rơ le số tổng quát
Cách ly và chia mức tín hiệu tương tự
Sóng dòng và điện áp từ thiết bị đo máy biến áp được thu thâp và chia mức đến điện áp thích hợp dùng cho rơ le số và số hoá.
Lọc chống răng cưa (anti-aliasing) tương tự
Bộ lọc thông thấp chống hiện tượng răng cưa tín hiệu trong đó các thành phần tần số cao đầu vào xuất hiện như các phần của tần số cơ bản.
Chuyển đổi tương tự số
Vì bộ xử lý chỉ xử lý được tín hiệu số hoặc tín hiệu mức logical nên sóng đầu vào phải được lấy mẫu theo thời gian chuyển sang dạng số. Tín hiệu lấy mẫu được truyền qua modun lấy mẫu và lưu (sample- and-hold module) sau đó truyền lần lượt đến bộ chuyển đổi tương tự số ADC bằng bộ ghép kênh (multiplexer).
Thuật toán ước lượng phase
Thuật toán phần mềm được thực hiện trong bộ xử lý nhằm tính toán biên độ và phase cấp cho rơ le. Việc này cực kỳ quan trọng cho hệ thống giám sát hiện đại, trong đó việc đo phase là thành phần không thể thiếu trong toàn bộ hệ thống giám sát.
Tính năng này của IED dùng tính toán phase điện áp hoặc dòng so với phase tham chiếu tương ứng. Thiết bị IED được đồng bộ từ nguồn tín hiệu GPS thông dụng. Lúc này thiết bị được gọi là thiết bị đo phase (phasor measurement unit PMU). Bộ tập trung dữ liệu phase gọi là (phasor data concentrator - PDC) và hay nằm tại trung tâm điều khiển.
Thuật toán rơ le và mức cắt (trip logic)
Phương trình, tham số cho thuật toán bảo vệ và mức cắt logic tương ứng được nạp trong phần mềm bộ vi xử lý rơ le. Bộ vi xử lý tín toán phase tín hiệu đầu vào, thu thập trạng thái máy cắt, thực hiện tính toán rơ le bảo vệ, cuối cùng cấp tín hiệu đầu ra điều khiển máy cắt. Bộ vi xử lý cũng hỗ trợ truyền thông tin, tự kiểm tra, hiển thị kết quả, đồng hồ thời gian và các tác vụ khác.
2.2 Lập trình Logic và điều khiển máy cắt
Rơle IED hiện đại không dùng bộ điều khiển lập trình logic ngoài PLC vì IED có thể quản lý tín hiệu logic đầu vào và đầu ra cho chức năng bảo vệ, kết nối trực tiếp với mạch flip flop hoặc cổng IED.
2.3 Đo và phân tích chất lượng điện
Khả năng đo của thiết bị IED là tính năng được các công ty điện lực đưa vào sử dụng nhanh chóng, tiết kiệm chi phí vận hành bằng cách kết hợp chức năng đo trong thiết bị IED.
Cũng cần lưu ý là biến dòng và biến áp sơ cấp chỉ dùng cho chức năng bảo vệ, không đủ độ chính xác cho việc đo thông thường cho giá trị điện áp và dòng điện hiệu dụng (root mean square RMS), công suất thực và công suất phản kháng.
Ngoài chức năng cơ bản, khả năng đo của IED còn lấy giá trị cho việc cân chỉnh và đo kiểm, giảm thời gian đo kiểm và cân chỉnh thiết bị tại chỗ. Giá trị đo được là dương, âm và bằng không của điện áp, dòng lệch pha và giá trị hiệu dụng thông dụng. Giá trị phase sai lệch, so lệch (differential), điều hoà (restraint) tính dễ dàng đẩy nhanh quá trình cân chỉnh.
IED còn có chức năng đo phụ tải bao gồm đo hệ số công suất, ampe yêu cầu, giá trị điện áp hiệu dụng dài hạn (long-term RMS voltage value) và theo dõi sử dụng cho việc mở rộng phụ tải sau này.
Khi có khả năng PLC và đo, IED đáp ứng được nhiều yêu cầu mà không cần bổ sung thiết bị, như điều khiển băng tụ theo công suất phản kháng và thuật toán điều khiển thực hiện dùng PLC và đầu ra lập trình được.
Hình 3 - Rơ le bảo vệ và kết nối thiết bị đo lường, biến áp dòng bảo vệ.
Hình 3 là sơ đồ kết nối thiết bị bảo vệ và biến dòng đo lường cho nguồn cấp. Chức năng bảo vệ thực hiện qua biến áp dòng bảo vệ và chức năng đo được thực hiện qua biến áp đo lường tuỳ theo ứng dụng.
Giá trị đo chính xác và thông tin trạng thái từ rơ le bảo vệ truyền qua mạng truyền thông tốc độ cao để tự đông hoá trạm biến áp, điều khiển hệ thống điện hoặc hệ thống phân tích trung tâm.
2.4 Tự giám sát và giám sát mạch bên ngoài
Thiết IED có khả năng chuẩn đoán mức card với các lỗi bên trong bằng phần mềm tự giám sát với khả năng phát hiện 98% số lỗi như phần cứng hư hỏng, bộ nhớ bị lỗi, nguồn cung cấp bị sự cố.
Một số thiết bị IED hiện đại còn có chức năng giám sát giao diện và mạch điện bên ngoài.
Giám sát giao diện thực hiện bằng kiểm tra tín hiệu đầu vào bằng phương pháp đơn giản. Ví dụ như dòng mạch vào rơ le từ ba pha phải gấp ba lần dòng trung tính trong bất kỳ trường hợp nào. Nếu có sai lệch thì có thể kênh tương tự dòng vào đang có sự cố. Rơ le sẽ chặn việc nhảy đóng sai.
Giám sát mạch ngoài bao gồm theo dõi cuộn mạch máy cắt xem có gián đoạn khoá thiết lập (trip-close) và lỗi biến áp đo.
Hình 3 - Mạch tự giám sát và giám sát mạch ngoài
Rơ le bảo vệ hiện đại được trang bị nhiều quy trình giám sát. Các quy trình này phát hiện sự cố, bên trong và bên ngoài, trong mạch thứ cấp, ghi sự cố vào log, và báo cáo sự cố. Thông tin dùng ghi sự cố thiết bị và xác định nguyên nhân gây sự cố để có biện pháp xử lý sự cố thích hợp.
2.5 Báo cáo sự kiện và chuẩn đoán lỗi
Rơ le IED bỏ bộ ghi lỗi kĩ thuật số đi vì bản thân IED có chức năng này rồi, trong khi các rơ le cơ điện không có chức năng này. Ví thế IED cũng không có bộ ghi sự kiện (sequence of events - SOE). Rơ le IED lưu dữ liệu thu thập trong bộ nhớ chống xâm nhập (nonvolatile memory) và báo cáo các sự kiện (pick up, trip, auto-reclose), báo cáo tổng thể như thay đổi cấu hình và quản lý.
Hình 5. Màn hình chương trình thu thập dữ liệu và phân tích sự cố. Chươnng trình sử dụng màn hình đồ hoạ hiển thị dữ liệu sự kiện xảy ra thu đươc, tính toán các giá trị đo suy ra như trở kháng, giá trị hiệu dụng hoặc đầu ra thuận tiện cho việc phát hiện sự cố.
IED chèn tín hiệu đồng bộ thời gian vào dữ liệu sự kiện và vì thế IED bắt buộc phải có thiết bị đồng bộ thời gian GPS cũng như ắc quy lưu trữ cho thiết bị đồng bộ thời gian GPS theo thời gian thực này. Sự kiện khi xuất hiện được tag thời gian chính xác, sẽ báo cáo chính xác về thời điểm khi sự kiện xảy ra, không xảy ra sai số thời điểm xảy ra tại trung tâm điều khiển.
Bây giờ việc phát hiện lỗi xảy ra rất dễ dàng vì dữ liệu sự kiện lưu ở IED, có thể tải lại sau, kể cả trong các trường hợp bị mất điện.
2.6 Công cụ cài đặt, cân chỉnh, và đo kiểm
IED có phần mềm dễ dàng sử dụng hỗ trợ thiết kế, lập trình, cân chỉnh và đo kiểm thiết bị. Phần mềm làm đơn giản hoá các quá trình và ứng dụng phức tạp của thiết bị IED.
Hầu hết các IED đều có phần mềm menu dễ dàng sử dụng dành cho việc thiết lập và cấu hình trong quá trình cân chỉnh thiết bị. Phần mềm đi kèm này thường được thiết lập sẵn các thông số giúp đơn giản hoá quá trình cân chỉnh của nhân viên vận hành.
2.7 Màn hình LCD lập trình được
Màn hình LCD lập trình được là tính năng cực kì thuật tiện của thiết bị IED thế hệ mới. Màn hình đồ hoạ này cho phép chuyển đổi hai chế độ đồ hoạ hoặc kí tự.
Hình 6 là ví dụ màn hình LCD của rơ le. Việc cài đặt thanh cái và máy cắt bao gồm cô lập, ngắt mạch hay nhiều quy trình khác được lập trình trên màn hình bằng chế độ đồ hoạ. Chế độ kí tự trên màn hình LCD dùng thiết lập và hiển thị chi tiết thông số đo sơ cấp và thứ cấp. Màn hình LCD có thể chuyển đổi từ chế độ đồ hoạ sang chế độ kí tự.
Hình 6. Màn hình rơ le bảo vệ ABB có kết hợp HMI.