Nghiên cứu, thiết kế hệ Scada cho hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới

T N U N

TRƯỜN T U T N N ỆP

---------------------------------------

VŨ ÌN QUỲN

NGHI N ỨU, T ẾT Ế Ệ S ADA O Ệ T ỐN P N NĂN

LƯỢN MẶT TRỜ NỐ LƯỚ

Chuyên ngành : ỹ thuật viễn thông

LU N VĂN T SĨ T U T V ỄN T N

KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞN OA

ƯỚN DẪN OA

PGS. TS Nguyễn Hữu Công

P ÒN ÀO T O

Th i Ngu n – Năm 2019

i

ỜI

Tên tôi là: Vũ ình Quỳnh

Sinh ngày 06 tháng 11 năm 1988

Học viên lớp cao học kỹ thuật viễn thông K20 -KTVT – Trường

Đại Học Công Nghiệp Thái Nguyên.

Xin cam đoan: đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế hệ SCADA cho hệ

thống pin năng lượng mặt trời nối lưới” là công trình nghiên cứu khoa

học, độc lập của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS guyễn Hữu

Công. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và có nguồn

gốc rõ ràng.

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 12 năm 2019

TÁ GIẢ UẬ VĂ

Vũ ình Quỳnh

ii

ỜI Ả

Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn, tôi đã nhận được

sự giúp đỡ nhiệt tình của các cơ quan, các tổ chức và các cá nhân. Tôi xin

bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất tới tất cả các tập thể, cá nhân đã tạo điều

kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu luận văn này.

Trước hết tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại Học

Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, phòng Đào tạo và khoa Sau đại học

của nhà trường cùng các thầy cô giáo, những người đã trang bị kiến thức

cho tôi trong suốt quá trình học tập.

Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin trân trọng cảm

ơn thầy giáo PGS.TS guyễn Hữu ông, người thầy đã trực tiếp chỉ bảo,

hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận

văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè, đồng nghiệp đã động

viên, giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành

luận văn này.

Do thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn của tôi chắc hẳn không thể

tránh khỏi những sơ suất, thiếu sót, tôi rất mong nhận đuợc sự đóng góp

của các thầy cô giáo cùng toàn thể bạn đọc.

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 12 năm 2019

TÁ GIẢ UẬ VĂN

Vũ ình Quỳnh

iii

H Ụ Á HI U Á TỪ VI T TẮT

STT Từ viết tắt Giải nghĩa

I Tiếng nh

1 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

2 PLC Programable Logic Control

3 RTU Remote Terminal Unit

4 DCS Distribution Control System

5 DMS Distribution Management Systems

6 EMS Energy Management System

7 ICCP

Inter-Control Center Communications

Protocol

8 IEC International Electro technical Committee

9 IED Intelligent Electronic Devices

10 HMI Human Machine Interface

11 SCS Supervisory Control

12 SAS Substation automation system

13 CC Control Centre

14 LAN Local Area Network

15 WAN Wide Area Network

16 AS Applications Server

17 RDU RTU Data Acquisition

18 CCR Computer-to-Computer Remote

19 OSI Open System Interconnection

20 ADC Analog Digital Converter

21 AGC Automatic Generation Control

22 DA Distribution Automation

23 DAC Digital Analog Converter

iv

24 DCE Data Communication Equipment

25 MS Master Stations

26 MTU Master Terminal Unit

27 TG57 Technical Committee

28 FTP File Transfer Protocol

29 HTTP Hyper Text Transfer Protocol

30 DNS Domain Name Service

31 DAUs Data Acquistion Units

32 TCP/IP

Transmission Control Protocol/ Internet

Protocol

33 HDLC High Level Data Link Control

34 SDH Synchronous Digital Hierachy

35 CAL Calculations

36 DRU Display Retrieval and Update

37 DES Data Entry

38 LOG Logging

39 RTC RAS Real-Time Calculations

40 GPS Global Position System

II Tiếng Việt

1 HTĐ Hệ thống điện

2 QTQĐ Quá trình quá độ

3 CĐXL Chế độ xác lập

4 DCS Dây chống sét

5 TBA Trạm biến áp

6 MBA Máy biến áp

7 TTĐĐ Trung tâm điều độ

v

H Ụ Á HÌ H VẼ Ồ THỊ

STT Tên hình Trang

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống SCADA 5

Hình 1.2

Kiến trúc phần mềm Client/Server của

hệ SCADA

7

Hình 1.3 Mô hình mạng hình sao 18

Hình 1.4 Mô hình mạng vòng tròn - Ring 19

Hình 1.5 Mô hình mạng kiểu Bus 20

Hình 1.6 Mô hình mạng hỗn hợp 21

Hình 1.7

Cấu trúc hệ thống SCADA thể hiện bằng

giao thức kết nối 25

Hình 1.8

Phương pháp thâm nhập đường dẫn trong

mạng Profibus

29

Hinh 1.9 Những chủ đề chính của giao thức IEC 61850 38

Hình 1.10

Cấu hình truyền thông cơ bản hệ thống tự

động hoá trạm với giaothức IEC61850

40

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập 43

Hình 2.2

Sơ đồ đấu nối của một hệ thống điện mặt trời

độc lập

45

Hình 2.3 Sơ đồ địa lý huyện đảo Lý Sơn (Tỉnh Quảng Ngãi) 47

Hình 2.4 Đồ thị phụ tải ngày của các hộ tiêu thụ theo mù 49

Hình 2.5 Sơ đồ đấu nối hệ pin mặt trời vào hệ thống 59

Hình 2.6 Sơ đồ đấu nối hệ acqui dự trữ vào hệ thống 59

Hình 2.7

Sơ đồ hệ thống điện mặt trời tại xã An Bình

(đảo Bé Lý Sơn) - Quảng Ngãi

60

Hình 2.8 Biểu đồ trao đổi công suất ngày cực đại (mùa hè) 61

vi

Hình 2.9

Biểu đồ trao đổi công suất ngày cực đại

(mùa đông)

61

Hình 2.10

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐMTLM

nối lưới điển hình 66

Hình 2.11

Sơ đồ đấu nối của một hệ thống điện mặt trời lắp

mái nối lưới 67

Hình 2.12

Sơ đồ lắp đặt thiết bị để thu thập dữ liệu từ xa

của hệ thống ĐMT LMNL cho nhà ở tư nhân 74

Hình 2.13

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ĐMT lắp mái nối

lưới của văn phòng Công ty Điện lực

Bà Rịa - Vũng Tàu

75

Hình 2.14

Sơ đồ đấu nối thiết bị của hệ thống ĐMT lắp mái

nối lưới cho văn phòng công ty điện lực Bà Rịa -

Vũng Tàu

77

Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ thống ĐMT hòa lưới và dự phòng 80

Hình 2.16

Sơ đồ đấu nối hệ thống ĐMT hòa lưới (a)

và dự phòng (b)

81

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời 83

Hình 3.2 Cấu trúc chung hệ thống pin năng lượng mặt trời 84

Hình 3.3

Cấu trúc chung hệ thống SCADA - pin năng

lượng mặt trời

85

Hình 3.4

Các thành phần cơ bản của một hệ thống

thông tin số 87

Hình 3.5 Dải tần phân bổ cho các kênh sử dụng dây dẫn 88

Hình 3.6 Đường đi của sóng đất và sóng trời 89

Hình 3.7 Nonreturn - to - zero inverted 93

Hình 3.8 Chỉ số biến điệu 97

vii

Hình 3.9 Tín hiệu ASK 98

Hình 3.10 Sự can nhiễu trên dây truyền thông 101

Hình 3.11 Nhiễu đồng kênh trong thông tin di động tế bào 101

Hình 3.12

Sử dụng anten định hướng trong truyền thông

vô tuyến 103

Hình 3.13 Tạp âm xuất hiện trên kênh truyền dẫn 103

Hình 3.14 Mật độ phổ công suất của tạp âm trắng 104

Hình 3.15 So sánh phổ đơn sóng mang và đa sóng mang 107

Hình 3.16 Chèn khoảng bảo vệ 109

Hình 3.17 Mô hình kênh MIMO 112

Hình 3.18 Mô hình kênh truyền SISO 115

Hình 3.19 Dung lượng kênh MIMO pha-đinh Rayleigh 116

Hình 3.20 Mô hình hệ thống MIMO-SDM 117

viii

H Ụ Á BẢ G BIỂU

STT Tên bảng Trang

Bảng 1.1

Tương quan giữa giao thức IEC60870-5-101 với

mô hình OSI

32

Bảng 1.2 Kiến trúc TCP/IP 34

Bảng 1.3

Bảng quy chiếu tính năng của các giao diện cơ

bản trong hệ thống mạng công nghiệp. 41

Bảng 1.4

Bảng quy chiếu tính năng của các giao thức cơ

bản trong hệ thống mạng công nghiệp. 43

Bảng 2.1 Bức xạ trung bình tháng tại Lý Sơn 47

Bảng 2.2

Cường độ bức xạ trung bình ngày tại xã An Bình

( đảo Bé Lý Sơn)

47

Bảng 2.3

Tổng nhu cầu điện năng của các loại phụ tải tại

xã An Bình

48

Bảng 2.4

Sản lượng điện năng theo tháng trong năm của

hệ thống điện mặt trời lắp đặt tại xã đảo An

Bình (Lý Sơn - Quảng Ngãi)

51

Bảng 2.5

Các thông số kỹ thuật của acqui GM1000

53

Bảng 2.6 Các thông số kỹ thuật của inverter SMC5000A 54

Bảng 2.7

Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển acqui

SI5048 55

Bảng 2.8

Tổng hợp các thiết bị trong hệ thống điện

mặt trời tại xã An Bình

57

Bảng 2.9 Các thông số kinh tế - kỹ thuật của 63

ix

công trình ĐMT tại xã đảo An Bình

Bảng 2.10

Chi phí vận hành và bảo dưỡng (O&M) của

trạm phát điện mặt trời được minh họa

64

Bảng 2.11

Các thông số chung của các công trình

ĐMTLMNL tại thành phố Đà Nẵng 67

Bảng 2.12 Thông số kỹ thuật chính của mô-đun PV 68

Bảng 2.13 Thông số kỹ thuật của Inverter 70

Bảng 2.14

Thông số kỹ thuật của hệ thống đo lường

– giám sát

72

Bảng 2.15 Thông số kỹ thuật chính của mô-đun pin mặt trời 78

Bảng 2.16 Thông số kỹ thuật chính của inverter nối lưới 79

x

Ụ Ụ

LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………i

LỜI CẢM N……………………………………………………………….ii

DANH MỤC C C K HIỆU, C C TỪ VIẾT TẮT………………………iii

DANH MỤC C C HÌNH VẼ ĐỒ THỊ……………………………………..v

DANH MỤC C C BẢNG BIỂU………………………………………….vii

MỤC LỤC……………………………………………………………….......x

MỞ ĐẦU…………………………………………………………………….1

CHƯ NG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ SCADA TRONG HỆ THỐNG

PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI, MẠNG M Y TÍNH, GIAO

DIỆN VÀ GIAO THỨC KẾT NỐI………………………………………... 4

1.1. Tổng quan chung về SCADA ……………………………………....4

1.1.1. Tổng quan chung về hệ thống SCADA…………………………......4

1.1.2. Chức năng của hệ thống SCADA, SCADA/EMS và

SCADA/DMS…………………………………………………………...….8

1.1.3. Truyền tin trong hệ thống SCADA…..………………………….....12

1.1.4. Nguyên lý làm việc của hệ thống SCADA ngành điện………..…..14

1.1.5. Ứng dụng vào thực tế của hệ thống SCADA………………….…..16

1.2. Tổng quan chung về mạng máy tính, giao diện và giao thức kết

nối…………………………………………………………………..……...16

1.2.1. Khái quát chung về mạng máy tính……………………………......16

1.2.2. Cấu hình mạng (Topology)………………………………………...17

1.2.3 Giao diện kết nối hay sử dụng trong SCADA………………….......21

1.2.4. Giao thức truyền dữ liệu phổ biến ứng dụng trong hệ thống

SCADA…………………………………………………………………….24

CHƯ NG 2: NGHIÊN CỨU, LỰA CHỌN CẤU TRÚC, THÔNG SỐ C C

PHẦN TỬ CHÍNH VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI …………………….………….……….42

xi

2.1. Nguồn điện mặt trời công suất nhỏ hoạt động độc lập………….….43

2.1.1. Sơ đồ đấu nối………………………………………………..……...43

2.1.2. Phương pháp tính toán một hệ thống điện mặt trời độc lập công suất

nhỏ ……………………………………….………………………..……... 44

2.1.3. Ví dụ tính toán minh họa cho HTĐMT độc lập - Phương pháp tính

toán cho một hệ thống điện mặt trời độc lập được minh họa cho lưới điện của

xã An Bình, huyện đảo Lý Sơn, Tỉnh Quảng Ngãi……………………… 46

2.2. Nguồn điện mặt trời lắp mái nối lưới………… ……..………….. 66

2.2.1. Sơ đồ đấu nối…………………………………………………..…... 66

2.2.2. Ví dụ minh họa hệ thống điện mặt trời lắp mái nối lưới cho các nhà ở

tư nhân ………………………..……………………………………………67

2.2.3. Các thành phần chính của hệ thống ĐMTLM NL cho các nhà ở tư nhân

……..……………………………………………………………………….68

2.2.4. Ví dụ minh họa hệ thống điện mặt trời lắp mái nối lưới cho tòa nhà

công cộng ……………………….…………………………………………74

2.2.5. Các thành phần chính của hệ thống điện mặt trời lắp mái nối lưới cho

văn phòng công ty điện lực Bà Rịa - Vũng Tàu ………….………………..75

2.3. Kết luận chương 2 …..……………………………………………...81

CHƯ NG 3: TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ THỐNG SCADA – HỆ

THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI…………………..83

3.1. Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời ………………... 83

3.2. Truyền thông trong hệ thống SCADA…………………..………... 84

3.2.1. Truyền tin số…………………………………………………..…... 86

3.2.2. Các kênh thông tin…………………………..……………………. 87

3.2.3. Tín hiệu cơ sở và tín hiệu băng thông dải……………………..….. 90

3.2.4. Mã hóa và điều chế……………………….………………………..91

3.2.5. NHIỄU VÀ ỒN………………………….………………………..100

3.3. Một số kỹ thuật nâng cao phẩm chất hệ thống thông tin số…..…..105