Công nghệ tự động hóa thủy điện
Tự động hóa cho nhà máy thủy điện
Trước khi có sự xuất hiện của hệ thống tự động hóa, những cán bộ kỹ thuật phải vận hành thiết bị bằng tay. Nó được gọi là hệ thống vận hành bằng tay. Để vận hành bằng tay toàn bộ thiết bị của nhà máy thủy điện (tua bin, máy phát, máy cắt,…), cán bộ kỹ thuật phải đứng tại vị trí của thiết bị, tiếp theo, phụ thuộc vào từng tình huống cán bộ kỹ thuật sẽ điều chỉnh thay đổi thiết bị cho đúng với quy trình vận hành. Cách thức vận hành như vậy đòi hỏi cán bộ kỹ thuật phải giám sát vận hành toàn bộ thời gian. Điều đó cũng được áp dụng với hệ thống tự động hóa. Hệ thống tự động hóa cũng đọc các thông tin trạng thái vận hành của thiết bị, và sau đó ra các lện để thay đổi thiết bị của nhà máy điện và đáp ứng quy trình tự động. Tuy nhiên, kiểu hệ thống như vậy cũng cần các chuyên gia. Người vận hành hệ thống tự động sẽ vẫn cần thay đổi để ra lệnh hoặc điều khiển dự vào nhu cầu sản xuất điện năng theo thời gian. Hệ thống quản lý, điều khiển và bảo vệ nhà máy thủy điện được thể hiện như hình dưới đây. Hệ thống nhận được thông tin theo thời gian thực, cung cấp hệ thống điều khiển tại chỗ và từ xa hiệu quả và hệ thống bảo vệ tiên tiến.
Hệ thống tự động hóa thủy điện bao gồm các thành phần chính như sau:
- Kích từ và bảo vệ máy phát
- Điều khiển tua bin
- Điều khiển trạm biến áp
- Hòa đồng bộ
- SCADA
PLC là công cụ quan trọng trong hệ thống tự động hóa thủy điện
Mục tiêu của việc tự động hóa của trạm thủy điện là tự động hóa hoàn toàn quá trình vận hành của nhà máy. Nó được hiểu rằng chỉ dung một thao tác có thể thay thế cho nhiều thao tác và bước, một số bước xảy ra theo chuỗi sự kiện hoặc song song với nhau. Một số sự kiện liên quan đến trạng thái rời rạc như là trạng thái đóng mở của van, trạng bật tắt của các thiết bị phụ v.v. Một số sự kiện khác liên quan đến giá trị liên tục theo thời gian hoặc quãng thời gian vận hành. Ví dụ, nó rất quan trọng để duy trì tốc độ không đổi của tổ máy để đồng bộ với tổ máy khác hoặc hòa lưới. Vì vậy việc vận hành nhà máy thủy điện tự động là việc phối kết hợp giữa quá trình rời rạc và quá trình liên tục. Trong thời kỳ đầu của sự phát triển, vi xử lý có ý nghĩa rất quan trọng để làm nhiệm vụ đó nhưng việc số hóa các rơ le là không hiệu quả. Nhưng với sự trợ giúp cảu PLC, việc sử dụng các rơ le cứng được tối giản. Một PLC lớn đủ lượng rơ le để làm tất cả các vận hành. Ưu điểm của các rơ le đều là dạng số, vì vậy rủ ro là nhỏ nhất cho hệ thống, giá thành giảm và ít phải bảo trì liên quan đến việc sử dụng chúng. Nếu cần bất kỳ sự thay đổi của hệ thống điều khiển chỉ cần lập trình để thay đổi và có thể làm được điều đó một cách dễ dàng mà không phải thêm chi phí. PLC có thể thực hiện các vận hành này rất hiệu quả bằng cách lập trình các hàm chức năng và các lệnh điều khiển. PLC có thể được sử dụng để thực hiện việc tự động hóa toàn bộ nhà máy thủy điện bao gồm điều khiển tốc độ, điều khiển tải,điều khiển kích từ, điều khiển quá trình chyaj và dừng máy, điều khiển cửa phai, chạy/dừng các hệ thống phụ và các chức năng bảo vệ. PLC phù hợp nhất với các hệ thống điều khiển rời rạc, PLC được nối với hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) để giám sát toàn bộ quá trình. Việc lập trình tuần tự các sự kiện sử dụng sơ đồ bậc thang. Ví dụ, tuần tự của các sự kiện trong quá trình khởi động tổ máy liên quan đến việc điều khiển trạng thái rời rạc, như chuyển mạch cảm biến áp suất, giới hạn hành trình… Các sự kiện khác đơn thuần là các tín hiệu liên tục hoặc có thể kết hợp của cả liên tục và rời rạc.
Trong quá trình liên tục, tín hiệu analog được chuyển đổi thành tín hiệu số trong PLC. Thuật toán điều khiển đưa ra tín hiệu điều khiển dựa vào tín hiệu số đầu vào và giá trị đặt. Bằng việc tính toán giá trị sai lệch giữa tín hiệu số đầu vào và giá trị đặt, bộ điều khiển PID được phát triển để đưa ta tín hiệu điều khiển đầu ra mang tính chất điều khiển chính xác. Với tiêu chuẩn IEC61131, ngôn ngữ lập trình dựa trên sơ đồ khối chức năng, người ta có thể dễ dàng thiết lập bộ điều khiển PID. Phụ thuộc vào tác động điều khiển, tốc độ và độ chính xác của đáp ứng hệ thống, tín hiệu saii lệch có thể được khuếch đại sử dụng bất kỳ khâu nào hoặc kết hợp các khâu tỉ lệ, tích phân và vi phân để nhận được giá trị điều khiển như mong muốn. Cho tất cả các tín hiệu điều khiển liên tục như điều khiển điều tốc, điều khiển tải, điều khiển mức, điều khiển lưu lượng và điều khiển công suất phản kháng kVar hoặc điều khiển hệ số công suất,... thuật toán PID nên được áp dụng
Bộ điều khiển lập trình (PLC) thông thường kết hợp với máy tính với hệ thống SCADA sử dụng để điều khiển và truy cập dữ liệu. Nó tạo ra một hệ thống hiệu quả và kinh tế, do đó nó phù hợp với nhiều nhà máy thủy điện sử dụng để điều khiển máy phát và tự động hóa. Nó được xem như một hệ thống điều khiển số đặc thù với giao diện là máy tính, để truy cập dữ liệu và khôi phục tất cả các chức năng của điều tốc, điều khiển tổ máy và bảo vệ cũng như lưu trữ dữ liệu.
Những chức năng chính của PLC trong hệ thống tự động hóa thủy điện:
- Tự động quá trình chạy máy
- Tự động quá trình dừng máy
- Điều khiển điều tốc dùng PLC
- Điều tốc tốc độ
- Điều khiển vị trí
- Điều khiển kích từ dùng PLC
- Hệ thống bảo vệ với PLC
- Hệ thống cảnh báo
