Giải pháp kết nối trong vận hành các nhà máy thủy điện

1. Đặt vấn đề

Các Nhà máy thủy điện vừa và nhỏ (công suất lắp máy 1-30MW) khi đưa vào vận hành cần phải kết nối với hệ thống SCADA của trung tâm điều độ - kinh doanh của công ty điện lực đã ký hợp đồng mua điện. Ngoài ra bản thân chủ đầu tư cũng cần giám sát được quá trình vận hành của nhà máy để phục vụ công tác quản lý. Tuy nhiên, hầu hết các nhà máy thủy điện nhỏ từ trước đến nay khi đưa vào vận hành đều không thực hiện được công tác này, một số lý do chủ yếu như sau:

- Không thể thiết lập đường truyền hữu tuyến để kết nối.

- Công nghệ điều khiển và thiết bị đầu cuối không phù hợp.

- Chủ đầu tư không đưa ra được yêu cầu kỹ thuật và khối lượng chi tiết cho công việc này.

Công ty ATS với hơn 10 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực điều khiển, bảo vệ và tích hợp hệ thống đã nghiên cứu và phát triển thành công giải pháp kết nối các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ nhằm đáp ứng yêu cầu về thông tin và dữ liệu phục vụ công tác quản lý vận hành, giám sát và kinh doanh mua/bán điện.

2. Đánh giá hiện trạng

2.1 Hệ thống điều khiển của các nhà máy thủy điện

Thông thường các nhà máy thủy điện đều được trang bị hệ thống DCS để tích hợp toàn bộ thông tin của Nhà máy bao gồm từ thiết bị công nghệ, năng lượng, thiết bị điện, trạm biến áp đầu ra và hệ thống phụ trợ phục vụ công tác giám sát và điều khiển tại chỗ của nhà máy. Cấu trúc tiêu biểu của một hệ thống DCS hoàn chỉnh được cho trong hình dưới đây.

Tuy nhiên, vì chỉ phục vụ cho mục đích giám sát và điều khiển tại chỗ nên các hệ thống này thường được thiết kế đóng theo các phương thức truyền tin và trao đổi dữ liệu của riêng các nhà sản xuất. Việc sử dụng các hệ thống đóng sẽ làm cho khả năng trao đổi dữ liệu và can thiệp của người sử dụng khi có những yêu cầu phát sinh đối với công tác quản lý và kinh doanh rất khó khăn do nhà sản xuất không bao giờ bàn giao hết các công cụ và thủ tục để thực hiện.

2.2 Kết nối với hệ thống SCADA và đo đếm

Trong đa số các dự án do Tư vấn không nắm rõ được yêu cầu kết nối của hệ thống SCADA và đo đếm của lưới điện Việt Nam nên phần khối lượng công việc này thường không được yêu cầu rõ trong phạm vi cung cấp của Hợp đồng cung cấp và xây lắp nhà máy vì vậy hiện nay gần như 100% số nhà máy thủy điện vừa và nhỏ đều không có kết nối. Ngoài ra, do được thiết kế đóng nên các hệ thống DCS rất khó có thể kết nối với hệ thống SCADA và quản lý đo đếm điện năng của các Công ty điện lực. Bên cạnh đó, do các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ thường được xây dựng tại các vùng sâu nên việc thiết lập một được truyền hữu tuyến (4W) như các giải pháp kết nối hiện nay đòi hỏi chi phí rất tốn kém kể cả đầu tư ban đầu và chi phí vận hành hàng tháng.

Tuy nhiên, các yêu cầu kết nối này là bắt buộc đối với các nhà máy điện theo Qui định đấu nối ban hành kèm Quyết định 37 của Bộ Công Nghiệp (nay là Bộ Công Thương). Đặc biệt với các nhà máy tham gia chương trình mua bán phát thải CDM thì việc kết nối, lưu trữ dữ liệu đo đếm điện năng phát lên lưới điện là một trong những điều kiện cần thiết để bên mua CDM có thể tính toán được lượng phát thải được hưởng.

2.3 Các ứng dụng trợ giúp quyết định và vận hành tối ưu

2.3.1 Dự báo thủy văn

Hiện nay tại các nhà máy mới chỉ có hệ thống ghi chép thống kê thủy văn của các dòng sông liên quan đến nhà máy điện. Một hệ thống dự báo thủy văn vẫn chưa được trang bị để tính toán vận hành hồ chứa như là một dữ kiện đầu vào phục vụ công tác lập kế hoạch vận hành nhà máy.

2.3.2 Tính toán tối ưu phát điện và phối hợp các nhà máy bậc thang

Các nhà máy chưa trang bị các phần mềm loại này để trợ giúp khác thác có hiệu quả lượng nước về hàng năm. Việc bố trí lịch chạy máy hiện nay vẫn do các Trung tâm điều độ thực hiện và kỹ sư điều hành sẽ đưa lệnh lên xuống và điểm đặt công suất của các tổ máy cho nhân viên điều hành trong từng ca trực.

Đối với các nhà máy thủy điện nhỏ việc chạy máy có thể được quyết định bởi nhân viên vận hành nhưng đối với cả trường hợp này các nhà máy cũng không có công cụ gì để tối đa hóa lợi nhuận dựa trên Hợp đồng mua bán điện đã ký với Công ty điện lực.

2.3.3 Quản lý bảo dưỡng trên cơ sở tình trạng thiết bị (Condition-based Maintenance Management)

Thông thường do qui mô nên các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ cũng không trang bị hệ thống quản lý bảo dưỡng loại này. Hệ thống sẽ cho phép Công ty lập qui trình bảo dưỡng và quản lý công tác bảo dưỡng từ lập kế hoạch, quản lý dự phòng, mua sắm vật tư, giao nhiệm vụ, quản lý tiến độ và báo cáo đánh giá tổng hợp…

2.4 Hệ thống viễn thông

Hiện tại các nhà máy có thể được kết nối với các đường truyền như sau:

- Hệ thống viễn thông điện lực thông qua các đường cáp quang, hệ thống SDH và các cổng BTS để nối với mạng viễn thông nội bộ hoặc nối với mạng WAN của EVN.

- Hệ thống viễn thông công cộng với các đường kết nối hữu tuyến với VietTel hay VNPT.

- Hệ thống viễn thống vệ tinh VSAT của các nhà cung cấp dịch vụ VietTel hoặc VNPT.

- Kết nối bằng GPRS trên nền GSM của các nhà cung cấp dịch vụ.

Bảng dưới đây đánh giá sơ bộ về một số chỉ tiêu đánh giá các giải pháp kết nối khác nhau:

Tùy vào từng địa điểm cụ thể các Nhà máy thủy điện sẽ cùng với đơn vị cấp hàng lựa chọn giải pháp tối ưu nhất khi đánh giá cụ thể các chỉ tiêu ở trên.

3. Giải pháp kỹ thuật

ATS đưa ra giải pháp để xây dựng hệ thống Quản lý vận hành (Operational Control Centre-OCC) như được mô tả ở các phần tiếp sau đây.

3.1 Hệ thống đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:

- Hệ thống mở - Cấu trúc Hệ thống OCC của Công ty thủy điện sẽ tuân thủ các yêu cầu của các tiêu chuẩn Quốc tế hoặc các tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.

- Khả năng bảo dưỡng - Cấu trúc Hệ thống OCC sẽ hỗ trợ bảo dưỡng tại chỗ các thành phần, mà không cần sự hỗ trợ của nhà cấp hàng đối với hoạt động vận hành và bảo dưỡng thường xuyên và định kỳ.

- Nền tảng phát triển ứng dụng - Cấu trúc Hệ thống OCC sẽ cung cấp một nền tảng mạnh để phát triển các ứng dụng điều khiển giám sát, quản lý vận hành tối ưu, trao đổi thông tin dữ liệu với các hệ thống nội bộ và bên ngoài. Ngoài ra, hệ thống sử dụng khả năng cung cấp dịch vụ số liệu cho nội bộ và người dùng bên ngoài qua các ứng dụng Web.

- Khả năng tích hợp - Hệ thống phải có khả năng tích hợp một cách linh hoạt các thành phần mới, các giải pháp và ứng dụng nâng cao khác (như GIS hoặc Quản lý Sự cố/Hư hỏng, Quản lý nhiệm vụ nhóm công tác..), và làm nền tảng cho các ứng dụng với sự ra đời của Thị trường điện của Việt Nam trong một tương lai gần.

3.2 Các đặc điểm kỹ thuật chính

3.2.1 Hệ thống Phần cứng

Toàn bộ hệ thống gồm 3 thành phần:

• Phần trung tâm:

- Hệ thống SCADA tại Trung tâm điều độ của Điện lực (Trung tâm điều độ hệ thống điện miền Bắc (A1), Công ty Điện lực 1 và Điện lực tỉnh). Toàn bộ thông tin cần thiết, đã được 2 bên Nhà máy và Điện lực thỏa thuận, cho việc giám sát và điều hành máy điện sẽ được hệ thống SCADA thu thập, xử lý, phân phối đến các ứng dụng cần thiết để nhân viên vận hành có thể tương tác với toàn bộ thiết bị cần giám sát điển khiển, cũng như giao tiếp với các ứng dụng khác.

- Hệ thống cơ sở Dữ liệu và cung cấp ứng dụng của ATS. Hệ thống trung tâm cũng sẽ hỗ trợ các trung tâm điều khiển của các nhà máy điện, thông qua các hệ thống phân quyền điều khiển và giám sát các trung tâm của nhà máy sẽ đồng thời kết nối với hệ thống trung tâm Công ty thông qua các đường truyền tốc độ cao.

Phần cứng cũng như phần mềm của hệ thống trung tâm sẽ dựa trên các nền tảng mở, có tính phổ biến cao, dễ thay thế mở rộng, đơn giản và quen thuộc trong quá trình vận hành.

• Phần ở nhà máy điện:

- Giải pháp 1: Hệ thống DCS ở tại các nhà máy điện sẽ trao đổi dữ liệu với hệ thống SCADA và OCC thông qua cơ sở dữ liệu thời gian thực (real-time database) với các cơ chế biến đổi dữ liệu phù hợp. Cơ chế này đảm bảo việc dữ liệu được cập nhật một cách đồng thời giữa hệ thống DCS tại nhà máy và hệ thống OCC. Với cách thức trao đổi dữ liệu kiểu này việc giám sát điều khiển tại OCC hoàn toàn giống như ngồi trong phòng điều khiển của các nhà máy.

- Giải pháp 2: Tại các nhà máy thủy điện sẽ lắp thêm thiết bị thu thập dữ liệu đo đếm, trạng thái và cảnh báo của các thiết bị trong nhà máy để truyền về SCADA và Trung tâm Giám sát Điều khiển. Các công tơ ranh giới đo đếm kể cả chính và dự phòng cũng sẽ được kết nối trên cùng đường truyền.

• Hệ thống viễn thông: Hệ thống viễn thông giữa các Nhà máy điện và Trung tâm OCC sẽ sử dụng một trong những giải pháp đã xem xét ở trên làm giải pháp chính và có thể lựa chọn thêm giải pháp dự phòng với tiêu chí cơ bản là giải pháp nào sẵn sàng nhất và chi phí thấp nhất.

Giải pháp kết nối cơ bản được thể hiện trong hình vẽ dưới đây:

3.2.2 Hệ thống phần mềm

Tại Trung tâm Điều khiển, mạng LAN sẽ được cấu hình để hỗ trợ cấu trúc Client/Server, cũng như các máy tính front-end để giao tiếp với hệ thống thu thập và trao đổi dữ liệu với các nhà máy điện cũng như các trung tâm khác.

Tùy vào yêu cầu về độ tin cậy và tính sẵn sàng, hệ thống có thể được cấu hình một máy chủ chính và một máy chủ dự phòng để cung cấp chức năng theo yêu cầu của OCC, bao gồm quản lý cơ sở dữ liệu thời gian thực, xử lý cảnh báo, sự kiện quá khứ, truy nhập số liệu sự kiện quá khứ và chức năng giao diện người sử dụng dạng đồ họa. Những máy chủ này phải có khả năng hỗ trợ một số lượng, theo yêu cầu của chủ đầu tư, máy trạm của người vận hành/người điều hành để thực hiện giám sát và điều khiển các đối tượng trong phạm vi quản lý.

Cấu trúc hệ thống phần mềm được thiết kế theo mô hình 3 lớp, gồm:

Lớp thu thập dữ liệu:

• Đây là lớp thấp nhất trong hệ thống trung tâm sẽ làm nhiệm vụ giao tiếp trực tiếp với các cơ sở dữ liệu thời gian thực của công tơ đo đếm, các RTU và các trung tâm điều độ liên quan.

• Lớp này cũng làm nhiệm vụ theo dõi tình trạng các kênh truyền, quản lý các thông số của quá trình truyền nhận, đưa ra các cảnh báo về quá trình giao tiếp với các đầu cuối.

• Lớp này thông qua các hệ thống viễn thông sẽ gửi/nhận dữ liệu đến/từ các đầu cuối thông qua các protocol được chuẩn hóa và xử lý các dữ liệu này thành các định dạng mà hệ thống OCC có thể hiểu được trước khi chuyển tiếp nó qua lớp Data Server.

Lớp Data Server:

• Lớp này sẽ tiếp nhận dữ liệu từ lớp giao diện xử lý chúng và làm chúng sẵn sàng đối với các ứng dụng. Hoạt động của lớp này tương đương như phần cơ sở dữ liệu thời gian thực của DCS và thống nhất các cơ sở dữ liệu khác nhau từ các thiết bị/nguồn dữ liệu khác nhau về một định dạng duy nhất.

• Một điểm quan trọng là lớp này cần được trang bị hệ thống xử lý logic dạng SoftPLC – Logic processor theo tiêu chuẩn IEC61131 để trợ giúp người xử dụng thiết lập các sơ đồ logic giám sát và điều khiển phù hợp với các ứng dụng của mình.

• Đây là lớp đặc biệt quan trọng vì mọi ứng dụng đều truy cập dữ liệu thông qua nó trong đó hệ thống SCADA trao đổi dữ liệu bằng giao thức IEC 60870-5-101 và hệ thống đo đếm bằng giao thức IEC62056-21.

Lớp ứng dụng:

• Đây là lớp cao nhất ở hệ thống trung tâm

• Người sử dụng sẽ giao tiếp với hệ thống thông qua lớp này. Ở đây các ứng dụng có thể là hệ giao diện người máy HMI, hệ thống quản lý sự kiện, hệ thống dữ liệu quá khứ …

• Thông qua công cụ giao tiếp với lớp Data Server người dùng có thể phát triển thêm (plug-in) các ứng dụng theo nhu cầu công tác và quản lý của mình, ví dụ như các loại báo cáo, tổng hợp số liệu..

• Trên cơ sở của hạ tầng của trung tâm điều khiển, hệ thống có thể cung cấp khả năng truy cập các vùng dữ liệu để hỗ trợ các khu vực chức năng khác nhau của các đơn vị liên quan, như phân tích kỹ thuật và lập kế hoạch, giám sát điện năng, quản lý thanh toán, vận hành tối ưu, quản lý bảo dưỡng... Ngoài ra, hệ thống này có khả năng giám sát an ninh truy cập của khu vực IT “kết nối” tới Mạng Trung tâm Điều khiển.

3.2.2.1 Tuân thủ các tiêu chuẩn

Phần mềm và phần cứng của hệ thống được sản xuất và phát triển theo các tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến rộng rãi trong công nghiệp, chủ yếu là chuẩn ANSI/IEEE, ISO và IEC. Điều đó cho phép các công ty thủy điện sử dụng và tích hợp sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nhau mà không bị phụ thuộc vào một cụ thể nhà sản xuất nào.

4. Kết luận

Với giải pháp của ATS, việc kết nối với các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ sẽ trở nên dễ dàng hơn và các đơn vị liên quan đến hoạt động vận hành, quản lý, điều độ và mua bán điện sẽ có đầy đủ thông tin để thực hiện tốt hơn công tác của mình, góp phần tiết kiệm và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả.

  Nguồn: EVN