Cách chọn thiết bị bảo vệ tích hợp vi tính và chức năng của nó trong tủ phân phối điện áp cao
1. Chọn và Vai trò của Thiết bị Bảo vệ Tích hợp Vi tính
1.1 Chọn Thiết bị Bảo vệ Tích hợp Vi tính
Để đảm bảo thiết bị bảo vệ tích hợp vi tính hoạt động chính xác và chính xác trong nhiệm vụ bảo vệ rơle, quá trình lựa chọn trong thiết kế cần xem xét toàn diện độ tin cậy, thời gian phản hồi, bảo trì và vận hành, cũng như các chức năng bổ sung.
Đầu vào tín hiệu cho thiết bị bảo vệ tích hợp vi tính giống như bảo vệ rơle truyền thống: các tín hiệu điện áp và dòng điện được đưa từ biến áp điện áp (PTs) và biến áp dòng (CTs), chuyển đổi bởi bộ truyền tín hiệu thành tín hiệu chuẩn yêu cầu bởi thiết bị bảo vệ, lọc để loại bỏ sóng hài bậc thấp và cao cũng như nhiễu khác, sau đó chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi A/D.
CPU thực hiện tính toán trên đầu vào số, so sánh kết quả với giá trị đặt trước, đưa ra phán đoán, và sau đó quyết định có kích hoạt báo động hay cắt mạch không. Để đáp ứng yêu cầu độ tin cậy, các tín hiệu đầu vào đo lường và bảo vệ được xử lý và xuất ra bởi các đơn vị xử lý độc lập bên trong thiết bị. Điều này đảm bảo độ chính xác đo lường đồng thời cung cấp biên độ đủ trong trường hợp hỏng hóc nghiêm trọng. Độ tin cậy kỹ thuật chung được đáp ứng nếu thiết bị không gặp phải tràn A/D hoặc bão hòa khi dòng điện hỏng đạt 20 lần giá trị bình thường.
1.2 Chọn Thời gian Phản hồi
Quy trình làm việc phần mềm của thiết bị bảo vệ thường như hình dưới đây:
Có thể thấy từ sơ đồ, thời gian phản hồi của thiết bị bảo vệ có liên quan chặt chẽ đến phần mềm sử dụng và phương pháp tính toán lượng điện, điều này thường không được người dùng biết.
Trong quá trình thiết kế và lựa chọn, chúng ta chỉ có thể đánh giá chất lượng của thiết bị bảo vệ dựa trên ba chỉ số: độ chính xác tính toán, thời gian phản hồi, và tải tính toán. Ba yếu tố này mâu thuẫn lẫn nhau: độ chính xác tính toán kém và tải tính toán nhỏ dẫn đến thời gian phản hồi nhanh hơn, trong khi độ chính xác cao và tải tính toán lớn dẫn đến thời gian phản hồi chậm hơn. Thông thường, đối với người dùng cuối của lưới điện, đặt tải tính toán lớn hơn 3 lần, độ chính xác tính toán cao hơn 0,2%, và thời gian phản hồi tối đa nhỏ hơn 30ms là đủ để đáp ứng yêu cầu thời gian phản hồi thông thường trong kỹ thuật.
1.3 Chọn Các Chức năng Khác
Thiết bị bảo vệ tích hợp chứa nhiều mạch tích hợp, đòi hỏi kỹ thuật viên có trình độ kỹ thuật cao để bảo trì. Khi lựa chọn, ưu tiên các thiết bị có phần cứng mô-đun hóa và tiêu chuẩn, cho phép khắc phục lỗi phần cứng chỉ bằng cách thay thế mô-đun, do đó cải thiện hiệu suất công việc. Ngoài ra, thiết bị bảo vệ nên có mô-đun EPROM tích hợp, cho phép lưu trữ tất cả các giá trị cài đặt dưới dạng số. Nhân viên tại hiện trường có thể dễ dàng gọi lại các cài đặt này cho việc vận hành thiết bị mà không cần lập trình lại.
Để tích hợp với hệ thống giám sát tự động hóa tổng thể, thiết bị bảo vệ nên có khả năng giao tiếp, cho phép tạo mạng dễ dàng thông qua bus dữ liệu và cho phép truyền thông tin sau khi cắt mạch lên hệ thống giám sát tự động hóa cấp trên.
2. Mối quan hệ giữa Thiết bị Bảo vệ Tích hợp và Hệ thống Kiểm soát Tự động Hóa Toàn Nhà Máy
Dựa trên cấu hình và yêu cầu giao tiếp của hệ thống kiểm soát tự động hóa nhà máy, hệ thống tự động hóa cho thiết bị bảo vệ tích hợp vi tính thường được chia thành ba tầng: tầng tủ phân phối, tầng trạm, và phòng điều khiển trung tâm.
2.1 Tầng Tủ Phân phối
Tầng tủ phân phối bao gồm các loại thiết bị bảo vệ tích hợp vi tính khác nhau, được lắp trực tiếp trên tủ phân phối. Mỗi thiết bị xử lý trực tiếp các tín hiệu đo lường, bảo vệ và chức năng điều khiển cho tủ cụ thể của nó. Các chức năng cụ thể như sau:
(1) Tủ Đường vào
Chức năng Bảo vệ: Dòng điện quá tải tức thì, dòng điện quá tải có thời gian chờ.
Chức năng Đo lường: Dòng điện ba pha, điện áp ba pha, công suất hữu ích/công suất vô ích, năng lượng hữu ích/năng lượng vô ích.
Chức năng Giám sát: Vị trí đóng/mở của cầu dao.
Chức năng Điều khiển: Đóng/mở bằng tay (trên tủ), đóng/mở từ xa.
Chức năng Báo động: Cắt mạch do tai nạn, tín hiệu cảnh báo, trạng thái đóng/mở, lỗi thiết bị, ghi lỗi, v.v.
(2) Tủ Biến áp
Chức năng Bảo vệ: Dòng điện quá tải tức thì, dòng điện quá tải có thời gian chờ, quá tải ngược thời gian, sự cố một pha chạm đất, cắt mạch do khí nặng.
Chức năng Đo lường, Giám sát, và Điều khiển: Giống như tủ đường vào.
Chức năng Báo động: Cắt mạch do tai nạn, khí nhẹ, cảnh báo nhiệt độ, tín hiệu cảnh báo, trạng thái đóng/mở, lỗi thiết bị, ghi lỗi, v.v.
(3) Tủ Busbar
Chức năng Bảo vệ, Giám sát, và Điều khiển: Giống như tủ đường vào.
Chức năng Báo động: Cắt mạch do tai nạn, lỗi thiết bị, ghi lỗi, v.v.
(4) Tủ Động cơ
Chức năng Bảo vệ: Dòng điện quá tải tức thì, dòng điện quá tải có thời gian chờ, quá tải, sự cố một pha chạm đất, hạ áp, quá nhiệt.
Chức năng Đo lường: Dòng điện ba pha, điện áp ba pha, công suất hữu ích/công suất vô ích, năng lượng hữu ích/năng lượng vô ích.
Chức năng Giám sát: Vị trí đóng/mở của cầu dao.
Chức năng Điều khiển: Đóng/mở bằng tay (trên tủ), đóng/mở từ xa.
Chức năng Báo động: Cắt mạch do tai nạn, tín hiệu cảnh báo, trạng thái đóng/mở, lỗi thiết bị, ghi lỗi, v.v.
Sau khi thu thập dữ liệu trong các tủ phân phối tương ứng, thiết bị bảo vệ truyền dữ liệu qua bus đến máy tính giám sát ở tầng trạm. Hệ thống này giảm đáng kể cáp điều khiển, rút ngắn thời gian vận hành tại hiện trường, và cải thiện hiệu suất công việc.
2.2 Tầng Trạm
Nhiều tín hiệu từ trạm cần được truyền đến phòng điều khiển trung tâm qua Ethernet công nghiệp của nhà máy, và các lệnh điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm cần được nhận và gửi đến các thiết bị bảo vệ. Tầng trạm thường bao gồm máy tính công nghiệp, máy in, và màn hình. Các chức năng chính bao gồm cấu hình và quản lý thiết bị bảo vệ tủ phân phối, giám sát hoạt động của hệ thống, thiết lập và quản lý cơ sở dữ liệu trạm, và giao tiếp với phòng điều khiển trung tâm.
Do các nhà sản xuất giữ bí mật về phần mềm và phương pháp tính toán lượng điện của thiết bị bảo vệ, tầng trạm cũng phải xử lý việc chuyển đổi giao thức giao tiếp để hỗ trợ việc truyền và nhận tín hiệu giữa phòng điều khiển trung tâm và các thiết bị bảo vệ.
2.3 Mạng Giao tiếp
Giao tiếp giữa tủ phân phối và trạm có thể sử dụng mạng bus MODbus, hỗ trợ tối đa 64 trạm phụ. Cách ly quang được sử dụng giữa mạng giao tiếp và thiết bị để ngăn chặn nhiễu ngoại vi. Giao tiếp giữa trạm và phòng điều khiển trung tâm sử dụng Ethernet công nghiệp với phương tiện cáp quang, tốc độ giao tiếp lớn hơn 1 Mbps.
2.4 Phần mềm
Phần mềm hệ thống có thể sử dụng các nền tảng chính lưu với kiến trúc tiêu chuẩn quốc tế, như Windows NT. Các mô-đun phần mềm nên bao gồm: phần mềm điều khiển chính, phần mềm đồ họa, phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu, phần mềm tạo báo cáo, và phần mềm giao tiếp.
Khi chọn phần mềm, phần mềm điều khiển chính nên có độ mô-đun hóa cao. Độ mô-đun hóa cao cho phép nhân viên tại hiện trường gọi phần mềm dựa trên điều kiện hiện trường mà không cần lập trình thêm, giảm đáng kể khối lượng công việc vận hành và bảo trì cho nhân viên điều độ và bảo trì, và cải thiện hiệu suất công việc.
3. Các Xem xét Khác
Ngoài ra, các vấn đề sau cần được chú ý trong quá trình chọn phần cứng cho thiết bị bảo vệ tích hợp vi tính:
Sử dụng vỏ kín, được gia cố, chống rung mạnh và nhiễu, kích thước lắp đặt nhỏ gọn, phù hợp với môi trường khắc nghiệt và lắp đặt trên bảng điều khiển.
Sử dụng cấu trúc CPU kép công nghiệp, mỗi thiết bị chứa một CPU chính và một CPU giao tiếp. Hai CPU hoạt động theo chế độ kiểm tra lẫn nhau để cải thiện thời gian phản hồi và độ chính xác, ngăn ngừa sự cố hoạt động sai hoặc không hoạt động, và tăng cường độ ổn định và độ tin cậy.
Bù nhiệt độ toàn dải cho phép thiết bị hoạt động lâu dài trong môi trường từ -20°C đến +60°C.
Các tín hiệu đo lường và bảo vệ được xử lý riêng biệt trong thiết bị, đáp ứng cả yêu cầu độ chính xác và yêu cầu phạm vi bảo vệ và độ tin cậy.
Sử dụng mạch lấy mẫu tần số chuyên dụng để theo dõi chính xác tần số lưới, làm cho việc tính toán lượng điện chính xác hơn.
Sử dụng cách ly quang cho đầu vào/ra số, và dây cáp có màn chắn cho dây nối nội bộ tủ, hiệu quả ngăn chặn nhiễu ngoại vi và cải thiện khả năng chống nhiễu của thiết bị.
Sử dụng màn hình LCD lớn và bàn phím mềm cho hiển thị số rõ ràng hơn và dễ thao tác hơn.
Sau khi vận hành, các giá trị cài đặt bảo vệ được lưu trữ dưới dạng số trong EPROM, cho phép gọi lại ngay lập tức sau khi vận hành hoặc sửa chữa mạch hỏng.
Trang bị mạch điều khiển cầu dao đầy đủ chức năng, phù hợp để điều khiển các loại cầu dao khác nhau, thuận lợi cho việc cải tạo trạm.
Có khả năng phân tích tai nạn toàn diện, bao gồm ghi sự kiện bảo vệ, ghi tín hiệu lượng điện vượt giới hạn, và ghi lỗi.
4. Vai trò của Thiết bị Bảo vệ Tích hợp Vi tính trong Tủ Phân phối Cao Áp
Thiết bị bảo vệ vi tính bảo vệ chống lại các tình huống bất thường trong mạch. Vai trò của chúng trong tủ phân phối cao áp bao gồm:
Thiết bị bảo vệ vi tính có khả năng xử lý dữ liệu mạnh mẽ, tính toán logic, và lưu trữ thông tin, với kiến trúc nội bộ tiên tiến. Chúng cung cấp các chức năng bảo vệ hoàn chỉnh tương đương với bảo vệ rơle truyền thống. Bằng cách nhận tín hiệu từ các thành phần đo lường như biến áp dòng và điện áp, thiết bị có thể theo dõi, điều khiển và bảo vệ trạng thái mạch—như bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá tải, và bảo vệ sự cố một pha chạm đất.
Không có thiết bị bảo vệ, tủ phân phối cao áp sử dụng rơle để đạt được các chức năng bảo vệ này. Bảo vệ vi tính hiện đại cung cấp các chức năng nâng cao, như điều khiển từ xa dễ dàng, giao tiếp với hệ thống cấp trên để truyền dữ liệu dòng điện, điện áp, công suất, và năng lượng, và điều chỉnh cài đặt bảo vệ thuận tiện.
