SCADA = Supervisory Control And Data Acquisition = công nghệ tự động hóa + điều khiển SCADA là quá trình thu thập dữ liệu thời gian thực từ các đối tượng để xử lý, biểu diển, lưu trữ, phân tích và có khả năng điều khiển những đối tượng này. Các hệ thống SCADA hiện đại là một giai đoạn phát triển hệ thống tự động hoá trước đây, chính là hệ thống truyền tin và báo hiệu (Telemetry and Signalling).
Trong những hệ thống SCADA dù ít hay nhiều cũng được thực hiện những nguyên tắc như: làm việc với thời gian thực, sử dụng một khối lượng tương đối lớn thông tin thừa (tần số cập nhật dữ liệu cao), cấu trúc mạng, nguyên tắc hệ thống và môdun mở, có thiết bị dự trữ để làm việc trong trạng thái "dự trữ nóng”, …
1/ Thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA
Remote Terminal Unit (RTU) – thiết bị đầu cuối từ xa – thực hiện các công việc xữ lý và điều khiển ở chế độ thời gian thực (Có 2 loại hệ thống thời gian thực: hệ thống thời gian thực cứng và hệ thống thời gian thực mềm) . RTU rất đa dạng – từ những cảm biến nguyên thuỷ thực hiện thu thập thông tin từ đối tượng cho đến những bộ phận máy móc đa xữ lý thực hiện xữ lý thông tin và điều khiển trong chế độ thời gian thực. Việc sử dụng RTU có bộ xữ lý cho phép làm giảm được yêu cầu đối với tốc độ của kênh truyền kết nối với trung tâm điều khiển.
Master Terminal Unit (MTU) – trung tâm điều phối, thực hiện công việc xữ lý dữ liệu và điều khiển ở mức cao ở chế độ thời gian thực mềm . Một trong những chức năng cơ bản của MTU là cung cấp giao diện giữa con người – quan sát viên với hệ thống. MTU có thể bằng những dạng khác nhau, từ một máy tính đơn lẽ với các thiết bị cũ cho đến hệ thống máy tính lớn bao gồm các Server và Client.
Communication System (CS) – hệ thống truyền thông (kênh liên kết) cần thiết để truyền dữ liệu từ các địa điểm ở nơi xa đến MTU và truyền tín hiệu điều khiển đến RTU.
2/ Luồng thông tin trong hệ thống điều khiển tích hợp
Từ các quá trình công nghệ , lấy các tín hiệu điều khiển và thông số đo được từ quá trình
--> cấp 1 : Các hệ thống con điều khiển cục bộ
chức năng cấp 1 :
Thu thập dữ liệu quá trình công nghệ thời gian thực;
Tính toán theo algorithm và đưa ra tín hiệu điều khiển theo qui luật cho trước;
Báo hiệu về việc vượt quá ngưởng cho phép của các thông số;
Block những hành động lổi của Operator và thiết bị điều khiển;
Ngăn ngừa xãy ra Alarm.
từ cấp 1 ta có thể setup, setpoint, thay đổi cấu hình hệ thống con và thông số quá trình
--> cấp 2 : Giám sát, tối ưu, nhà máy (kinh tế, chất lượng)
chức năng cấp 2 :
Thu thập thông tin từ cấp dưới, xữ lý, lưu trữ và monitoring;
Đưa ra tín hiệu điều khiển trên cơ sở phân tích thông tin;
Chuyển thông tin về việc sản xuất ở các xưởng, xí nghiệp cho cấp cao hơn;
Tính toán những thông số thứ cấp, trong đó, chỉ số chất lượng sản phẩm, chỉ số kinh tế-kỹ thuật;
Lưu trữ thông tin;
Đưa ra các report;
Chuẩn đoán về sự hư hỏng của các phần tử trong hệ thống;
Xác định thông số, cấu hình của các thiết bị điều khiển và những bộ điều khiển cục bộ của Level 1;
Thay đổi cấu trúc các hệ thống điều khiển cục bộ, thay đổi trạng thái làm việc của các thiết bị điều khiển.
từ cấp 2 , lập ra các quá trình sản xuất , các yêu cầu về kinh tế , đưa ra thông tin về trạng thái quá trình , chỉ số kinh tế , chất lượng
-->cấp 3 : lập kế hoạch và điều hành
chức năng cấp 3 :
Tối ưu các chỉ số kinh tế về sản xuất;
Điều khiển theo các chỉ số kinh tế, kinh tế-kỹ thuật;
Quản lý tài nguyên của công ty;
Lưu trữ thông tin;
Đưa ra kế hoạch sản xuất.
tuy nhiên trong hệ thống điện thì phân cấp như sau :
Ở cấp thấp nhất của hệ thống SCADA, là các phần có chức năng theo dõi và điều khiển cho từng thiết bị riêng biệt. Thường gặp nhất trong HTĐ là các rơ le bảo vệ. Khi thiết bị gặp sự cố, các rơle này hoàn toàn có thể tính toán và tác động theo thông số chỉnh định trước mà không cần liên lạc với hệ thống cấp trên. Ngoài chức năng điều khiển, các phần tử thuộc cấp này còn có chức năngthu thập số liệu, thông số của các thiết bị để gửi lên các Substation server. Trong các hệ thống hiện đại, các phần tử này được gọi chung là IED (Intelligent Electronic Devices), có các nguyên lý làm việc và chức năng khác nhau, nhưng có cùng chuẩn giao tiếp, cho phép IED này có thể nói chuyện được với các IED khác trong cùng trạm (peer to peer) và trao đổi với substation server. Về nguyên tắc, sự hỏng hóc hay bảo trì tại một IED sẽ không làm ảnh hưởng đến các IEDkhác trong hệ thống.
- Cấp thứ hai của hệ thống SCADA là các Substation Server, với chức năng chủ yếu là thu thập số liệu từ các IED do nó quản lý, lưu lại trong cơ sở dữ liệu, phục vụ các nhu cầu đọc dữ liệu tại chỗ qua các HMI(Human Machine Interface)
- Cấp thứ ba là Trung tâm điều khiển của toàn hệ thống, nơi thực hiện việc thu thập số liệu từ các Substation Server, thực hiện các chức năng tính toán đánh giá trạng thái của hệ thống, dự báo nhu cầu phụ tải, và thực hiện các chức năng điều khiển quan trọng, như việc phân phối lại công suất phát giữa các nhà máy, lên kế hoạch vận hành của toàn hệ thống.
Do quy mô rộng lớn của hệ thống truyền tải điện năng, các trạm điều khiển trung tâm còn có thể được chia thành các cấp - điều khiển trung tâm (Central control Center hay Central Dispatching Center), và các trạm điều khiển vùng(Area Control Center).
nhưng ngày nay người ta thường sử dụng hệ thống SCADA/EMS ( thực chất vẫn là SCADA )
3/ EMS là gì ?
EMS (Energy Management System) là tập hợp các công cụ cho phép người vận hành hệ thống phân tích đánh giá, đưa ra quyết định điều khiển hệ thống. EMS được sử dụng tại các trung tâm điều độ (CCC hoặc ACC tronng bài trước). Vì EMS luôn yêu cầu có một hệ thống số liệu thu thập từ hệ thống, và bản thân nó tham gia như một bộ phận trong SCADA, nên người ta sử dụng thuật ngữ SCADA/EMS.
Tại ACC và CCC, với sự trợ giúp của hệ thống máy tính mạnh, và các phần mềm chuyên dụng, người vận hành thực hiện các chức năng SCADA/EMS, có thể kể ra một số chức năng quan trọng như sau:
- Đánh giá trạng thái hệ thống(SE - Online State Estimation)
- Tính toán trào lưu công suất (LF - Load Flow)
- Tính toán tối ưu trào lưu công suất(OPF - Optimal Load Flow)
- Dự báo phụ tải (LF-Load forecast)
- Đánh giá mức độ an toàn của hệ thống(DSA-Dynamic Security Assesment)
- Xây dựng các chiến lược phục hồi hệ thống khi có sự cố.
ở cấp thấp nhất của hệ thống SCADA/EMS là các IED, có chức năng theo dõi và điều khiển một thiết bị cụ thể. Các IED của một trạm được nối với một thiết bị đầu cuối RTU(Remote Terminal Unit). RTU thu thập toàn bộ các tín hiệu từ các IED trong trạm và gửi về điều độ trung tâm , liên lạc giữa RTU và ACC(CCC) có thể sử dụng nhiều phương tiện: Đường điện thoại, cáp truyền tín riêng của ngành điện, sóng vô tuyến, đường dây cáp quang, hoặc sử dụng chính đường dây điện làm đường truyền tin(PLC - Power Line Carrier)
Thông tin trong hệ thống được đưa đến ACC(CCC), và được chia sẻ chung trong mạng LAN của trung tâm điều độ. Các máy chủ được nối vào mạng LAN và thực hiện các chức năng khác nhau: EMS, ghi số liệu, theo dõi hệ thống, huấn luyện người vận hành (dispatcher tranning)(trên số liệu thực tế). Chức năng trainning này rất thú vị vì nó kết hợp giữa hệ thống số liệu thu thập được và một phần mềm mô phỏng toàn bộ hệ thống điện. Khi ấy người được huấn luyện có thể theo dõi trực tiếp trạng thái của hệ thống, và đưa ra các quyết định. Phản ứng của hệ thống sẽ được tính toán nhờ chương trình mô phỏng.
Tuy nhiên để cho hệ thống này hoạt động một cách hiệu quả là một vấn đề rất phức tạp. Tại các trung tâm ACC và CCC, thường xuyên có hàng chục, hàng trăm ngàn tín hiệu phải được cập nhật thường xuyên. Việc đảm bảo tính chính xác của số liệu thu thập, tốc độ điều khiển trong thời gian thực(hoặc gần với thời gian thực) đòi hỏi không những một hệ thống máy tính đủ mạnh, mà còn có một phương thức trao đổi thông tin hợp lý. Thông tin cần được trao đổi một cách nhanh chóng, tin cậy, và đôi khi là cả bảo mật.
