Thiết kế bảo vệ trạm biến áp bằng PLC

Các thiết bị trong trạm biến áp là các thiết bị đắt tiền. Mặc dù xác suất xảy ra sự cố ở trạm biến áp thấp hơn so với dây tải điện, nhưng hậu quả của sự cố tại trạm lại vô cùng nghiêm trọng nếu không được khắc phục nhanh chóng và chính xác. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thiết kế và vận hành hệ thống bảo vệ trạm biến áp hiệu quả. Sự cố thường gặp bao gồm ngắn mạch và quá tải. Ngoài ra, còn có các sự cố khác liên quan đến máy biến áp như rò dầu, quá bão hòa mạch từ, v.v… Vì vậy, việc đảm bảo vận hành an toàn và ổn định của trạm biến áp là yếu tố then chốt trong việc cung cấp điện năng cho hệ thống.

Nhiều nguyên nhân có thể dẫn đến sự cố và hư hỏng tại trạm biến áp. Một số nguyên nhân chính được nêu ra bao gồm: thiên tai (bão lũ), hao mòn cách điện do thời gian vận hành, tai nạn ngẫu nhiên, và thao tác sai của con người. Những nguyên nhân này đều có thể gây ra các sự cố nghiêm trọng, từ ngắn mạch, quá tải đến rò rỉ dầu máy biến áp và các hư hỏng khác. Việc hiểu rõ các nguyên nhân này là bước đầu tiên để thiết kế và triển khai các biện pháp phòng ngừa và giảm thiểu rủi ro, đảm bảo sự vận hành bền vững và an toàn của hệ thống trạm biến áp.

Trạm biến áp được mô tả là có diện tích 75x73,5(m). Thiết bị chính bao gồm: dao cách điện, máy cắt điện, dao cách ly, dao ngắn mạch, các sứ điện, chống sét van, chống sét ống, máy biến áp lực, máy biến áp tự dùng, biến dòng điện, biến điện áp, các cột chiếu sáng chống sét và các phần tử bảo vệ. Hệ thống được cấp điện từ hai nguồn chính. Điện áp trung thế 35kV được đưa đến thanh cái 35kV thông qua cáp Cu/XLPE. Máy biến áp tự dùng (MBA) được cấp nguồn từ các điểm đấu trên thanh cái. Hệ thống sử dụng 3 dây pha và một dây trung tính. Điện trở nối đất đáp ứng tiêu chuẩn R≤0,5Ω. Các trụ đỡ thiết bị được nối với hệ thống nối đất chung. Mô tả chi tiết cho thấy sự phức tạp của hệ thống và sự cần thiết của hệ thống bảo vệ toàn diện.

Phần điều khiển của trạm biến áp sử dụng tín hiệu logic để điều khiển đóng cắt rơle. Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu SCADA được tích hợp. Bộ biến đổi đo lường (Td) lấy nguồn từ biến điện áp (CVT) và cung cấp tín hiệu cho các thiết bị đo. Thiết bị đầu cuối RTU thu thập tín hiệu công suất (P, Q) phía cao thế 110kV và tín hiệu từ bộ điều chỉnh điện áp. Phía trung thế 35kV, bộ đo lường đa chức năng (P) đo dòng, điện áp, công suất, và năng lượng. RTU cũng thu thập tín hiệu công suất phía trung thế. Trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc Gia (A0) được kết nối. Việc tích hợp hệ thống SCADA và RTU cho phép giám sát và điều khiển từ xa, nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì trạm biến áp.

Đồ án tập trung vào thiết kế hệ thống điều khiển bảo vệ cho trạm biến áp trung gian Gia Lộc - Hải Dương sử dụng PLC của Siemens, cụ thể là PLC S7-300. Mục tiêu chính là nghiên cứu ứng dụng của PLC S7-300 trong hệ thống tự động hóa trạm biến áp, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động và an toàn. Hệ thống được thiết kế để giám sát và bảo vệ trạm biến áp trước các sự cố như ngắn mạch, quá tải, và các lỗi khác. Việc sử dụng PLC sẽ giúp tự động hóa các quá trình, giảm thiểu thời gian phản hồi và sự can thiệp của con người trong xử lý sự cố. Đồ án nhằm mục đích tối ưu hóa quá trình vận hành và bảo trì trạm biến áp.

Đồ án đề cập đến trạm biến áp 110kV Gia Lộc - Hải Dương, có công suất 63MVA. Trạm được cấp điện từ 2 lộ chính, sử dụng dây dẫn AC nhôm trần. Hầu hết các hộ tiêu thụ được cấp điện theo sơ đồ hình tia, trừ một số trường hợp đặc biệt. Trạm biến áp có diện tích 75x73,5 m2, bao gồm các thiết bị như dao cách điện, máy cắt điện, máy biến áp, biến dòng, biến áp, hệ thống chống sét, v.v... Hệ thống điện chính có đường dự phòng Thanh Hà J01 và đường từ Đồng Niên - Phố Cao J04. Thông tin về các thiết bị đo lường, bảo vệ và cấp điện cho các MBA tự dùng và các tủ phân phối hạ áp cũng được cung cấp.

Trước đây, hệ thống điều khiển số trong công nghiệp thường sử dụng rơle và mạch điện tử logic. Với các hệ thống đơn giản, phương pháp này có ưu điểm về giá thành. Tuy nhiên, đối với hệ thống phức tạp, nó lại có nhiều nhược điểm như cồng kềnh, độ tin cậy kém và khó sửa chữa. Sự ra đời của PLC đã khắc phục những hạn chế này. PLC được thiết kế chuyên dụng cho điều khiển tự động hóa, chịu được điều kiện khắc nghiệt (rung lắc, nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn), có giao diện sẵn cho thiết bị vào/ra, và dễ lập trình. Người dùng không cần kiến thức chuyên sâu về điện tử hay máy tính mà chỉ cần nắm vững công nghệ sản xuất và phương pháp lập trình. PLC thực chất là một máy tính chuyên dụng, tối ưu cho các ứng dụng điều khiển phức tạp.

PLC Siemens S7-300 được trang bị hệ điều hành và thực hiện các chức năng điều khiển thời gian thực, truyền thông, chuẩn đoán và kiểm tra, quản lý thông tin, và lưu trữ. Chức năng bảo vệ bao gồm cấp password để kiểm soát truy cập chương trình và dữ liệu. CPU có khả năng tự kiểm tra và chuẩn đoán các lỗi phần cứng, phần mềm, thời gian, vào/ra, và pin nuôi, hiển thị trạng thái thông qua đèn LED. Chức năng thông tin cho phép người dùng quan sát trạng thái tín hiệu, thay đổi biến số, và truy cập thông tin về bộ nhớ, chế độ hoạt động, thời gian quét, v.v… PLC có khả năng mở rộng linh hoạt với nhiều module và chức năng tích hợp sẵn như bộ đếm, đo tần số, điều khiển vị trí, và điều khiển khối chức năng.

PLC Siemens S7-300 được thiết kế với cấu trúc module linh hoạt, không bị cứng hóa về cấu hình. Module CPU là module chính chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, bộ thời gian, bộ đếm, và cổng truyền thông. Các module khác là các module mở rộng, truyền nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển, hoặc module chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ bước. Các module được gắn trên thanh ray (rack), mỗi rack chứa tối đa 11 module. CPU kết nối với thiết bị lập trình (PC) bằng MPI (Multi Point Interface) và các I/O phân tán thông qua cổng RS485. Giao diện PROFIBUS-DP cho phép điều khiển phân tán. Việc sử dụng nhiều loại module cho phép tùy biến hệ thống phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

PLC S7-300 có các vùng nhớ khác nhau: Work memory chứa các khối chương trình đang được thực hiện; M (biến cờ); T (Timer); I (Process image input); Q (Process image output); L (Local data block); DB (Data block); PI (Process image input analog); PQ (Process image output analog). Chương trình có thể lập trình tuyến tính hoặc sử dụng các khối chương trình (OB, FC, FB, SFB, UDT). S7-300 hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình: STL (Statement list), FBD (Function block diagram). Vòng quét chương trình bao gồm đọc dữ liệu đầu vào, thực hiện chương trình, và ghi dữ liệu đầu ra. Thời gian quét không cố định, tùy thuộc vào số lượng lệnh và dữ liệu.

Trạm biến áp 110kV Gia Lộc - Hải Dương có công suất 63MVA. Để đảm bảo độ tin cậy, trạm được cấp điện từ hai nguồn chính. Các dây dẫn sử dụng là loại AC nhôm trần được mắc trên không. Phần lớn các hộ tiêu thụ được cấp điện theo sơ đồ hình tia, ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt như Nhị Chiểu và nhà máy xi măng Phúc Sơn sử dụng sơ đồ phân nhánh. Trạm có diện tích 75x73,5 m2 và bố trí các thiết bị như dao cách điện, máy cắt điện, dao cách ly, dao ngắn mạch, sứ điện, chống sét van, chống sét ống, máy biến áp lực, máy biến áp tự dùng, biến dòng điện, biến điện áp, cột chiếu sáng chống sét và các phần tử bảo vệ. Hai nguồn cung cấp điện chính được đề cập là dự phòng Thanh Hà J01 và đường dây từ Đồng Niên – Phố Cao J04. Điều này cho thấy quy mô lớn và sự quan trọng của trạm biến áp này trong hệ thống điện.

Điện áp trung thế 35kV được đưa tới thanh cái 35kV (Cu – 1600A; 25kA/1s) qua dây cáp Cu/XLPE/38,5kV. Từ thanh cái này, điện áp được cấp cho các trạm điện hạ thế. Máy biến áp tự dùng TN1 (100kVA, 38,5±2x2,5%/0,4kV) được cấp nguồn từ điểm đấu số 3. Các điểm đấu số 5, 7, 9 cấp nguồn cho các tủ phân phối hạ áp. Điểm đấu số 11 cấp nguồn cho biến áp đo lường 35kV. MBA tự dùng TN2 (100kVA, 23±2x2,5%/0,4kV) được cấp từ điểm đấu số 3, và điểm đấu số 15 cấp nguồn cho máy biến áp đo lường 22kV. Điểm đấu số 15 cũng được nối với thanh cái thứ hai của tủ phân phối 22kV, cấp nguồn cho các tủ phân phối hạ áp và máy biến dòng. Trung thế 35kV của MBA T2 được đưa vào thanh cái số 2, kết hợp với đường dây trung thế của MBA T1 để cấp điện cho các thiết bị.

Trên thanh cái có bảo vệ điện áp thấp F27 và bảo vệ quá điện áp F59, được điều khiển qua cầu dao QF 5A. Điện áp thanh cái được đo bằng vôn kế. Điện trở nối đất của hệ thống thỏa mãn điều kiện R≤0,5Ω. Lưới nối đất được đặt trước ở những phần đắp. Tất cả các trụ đỡ thiết bị được nối với hệ thống nối đất chung. Điểm nối đất của kim thu sét và chống sét van phải cách điểm nối đất của máy biến áp ≥1,5m. Dây tiếp đất của kim thu sét chạy song song bên ngoài thân cột và được nẹp chặt vào thân cột. Các biện pháp này nhằm đảm bảo an toàn và vận hành ổn định của trạm biến áp.

Trạm biến áp được kết nối với hệ thống viễn thông khu vực. Kết nối từ trạm biến áp 110kV Phố Cao đến trạm biến áp 110kV Gia Lộc sử dụng cáp quang kết hợp với đường dây chống sét treo trên đường dây 110kV loại 12/24 lõi. Phần điều khiển của trạm sử dụng tín hiệu logic để điều khiển đóng cắt rơle. Hệ thống giám sát, điều khiển, và thu thập dữ liệu SCADA được tích hợp. Các thiết bị đầu cuối RTU được sử dụng để thu thập tín hiệu công suất (P, Q) ở phía cao thế 110kV và tín hiệu từ bộ chỉ thị vị trí của bộ điều chỉnh điện áp. Điều này cho phép giám sát và điều khiển từ xa, đảm bảo vận hành hiệu quả.