Xây dựng hệ điều khiển giám sát các trạm điện năng lượng mặt trời hòa lưới, ứng dụng tại Lào Cai
TNU Journal of Science and Technology
226(07): 241 – 246
BUILDING CONTROL SYSTEM AND MONITORING FOR SOLAR POWER
STATION CONNECTED GRID, APPLIED IN LAO CAI PROVINCE
Duong Quoc Hung1*, Nguyen Huu Cong2, Nguyen The Cuong2, Doan Duc Quang3
1TNU - University of Technology
2Thai Nguyen University, 3ASO Mechatronics joint stock comapany
ARTICLE INFO
Received: 12/5/2021
Revised: 28/5/2021
Published: 31/5/2021
ABSTRACT
Nowadays, when fossil energy sources are running out, the
exploitation of renewable energy sources has become an urgent
problem. In which, the solar power system is particularly interested.
In Vietnam, the State has a policy to allow solar power producers to
connect to the grid and sell electricity to EVN. As there are more and
more solar power stations, the construction of a SCADA system is a
necessary issue. The solar monitoring SCADA system allows for full
control of the designed solar stations, which are connected via a
software that communicates with the internet. From there, it helps us
analyze, evaluate and give real-time system status alerts anywhere as
long as there is an internet connection. This article is the result of the
pilot construction of a 4G communication SCADA software applied
to a system of 3 solar power stations installed in Lao Cai City - Lao
Cai Province.
KEYWORDS
Solar
SCADA
Industrial communication
network
4G network
Router F3425
XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC TRẠM ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI HÒA LƯỚI, ỨNG DỤNG TẠI LÀO CAI
Dương Quốc Hưng1*, Nguyễn Hữu Công2, Nguyễn Thế Cường2, Đoàn Đức Quang3
1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên
2Đại học Thái Nguyên, 3Công ty cổ phần cơ điện tử ASO
THÔNG TIN BÀI BÁO
Ngày nhận bài: 12/5/2021
Ngày hoàn thiện: 28/5/2021
Ngày đăng: 31/5/2021
TÓM TẮT
Ngày nay, khi mà nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiện thì
việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo đã trở thành một vấn đề
cấp bách. Trong đó hệ thống điện năng lượng mặt trời được đặc biệt
quan tâm. Tại Việt Nam, Nhà nước đã có chính sách cho phép các
nhà sản xuất điện năng lượng mặt trời hòa lưới và bán điện cho công
ty điện lực EVN. Khi mà các trạm điện năng lượng mặt trời ngày
càng nhiều, thì việc xây dựng một hệ thống SCADA là một vấn đề
cần thiết. Hệ thống SCADA giám sát năng lượng mặt trời cho phép
kiểm soát toàn bộ các trạm năng lượng mặt trời được thiết kế, chúng
được kết nối thông qua một phần mềm giao tiếp với mạng Internet.
Từ đó, giúp chúng ta phân tích, đánh giá và đưa ra cảnh báo tình
trạng của hệ thống theo thời gian thực ở bất kỳ nơi đâu, miễn là có
mạng Internet. Bài báo này là kết quả của việc xây dựng thử nghiệm
một phần mềm SCADA truyền thông bằng công nghệ 4G áp dụng
cho hệ thống gồm 3 trạm điện năng lượng mặt trời được lắp đặt tại
thành phố Lào Cai - tỉnh Lào Cai.
TỪ KHÓA
Năng lượng mặt trời
SCADA
Mạng truyền thông công nghiệp
Mạng 4G
Router F3425
* Corresponding author. Email: quochungtd@tnut.edu.vn
241
TNU Journal of Science and Technology
226(07): 241 – 246
1. Giới thiệu
tự động hóa không còn xa lạ. Hiện nay, hạ tầng mạng viễn thông được liên tục nâng cấp, do đó
cấu hệ trúc SCADA, các nghiên cứu [1]- [4] cho thấy rằng cấu trúc chung của hệ thống SCADA
gồm 3 phần quan trọng, bao gồm: RTU làm bộ thu thập dữ liệu từ hiện trường gửi về phòng điều
khiển trung tâm, MS là thiết bị điều khiển tại hiện trường và giao thức truyền thông giữa RTU
với MS. RTU có thể được thiết kế bằng một bộ vi điều khiển như trong nghiên cứu [1] và [2]. Hệ
thống truyền thông SCADA cho trạm năng lượng mặt trời bằng phương thức truyền thông không
dây được sử dụng rộng rãi đã được đề cập đến trong các nghiên cứu [3]-[5]. Nghiên cứu [3] đã sử
dụng Modul Xbee như một đường truyền thông không dây. Lợi thế của Modul Xbee có thể hoạt
động ở những vùng xa xôi, nơi không có kết nối Internet, tuy nhiên phạm vi truyền thông lại bị
hạn chế. Một số nghiên cứu khác, lại sử dụng hệ điều khiển giám sát tại chỗ HMI thay cho việc
truyền xa về phòng điều khiển trung tâm như trong các nghiên cứu [6]-[9].
Ở Việt Nam, các hệ năng lượng mặt trời được ứng dụng khá nhiều, tuy nhiên phần lớn các bộ
Inverter đều được nhập hợp bộ từ nước ngoài, kèm theo phần cứng là phần mềm SCADA của
hãng trang bị. Các phần mềm này chỉ cho phép kết nối với thiết bị của họ mà không thể mở rộng
kết nối với các hãng khác. Việc thu thập dữ liệu từ nhiều trạm khác nhau về một phòng điều
khiển trung tâm gặp nhiều khó khăn.
Bài báo này trình bày kết quả của quá trình nghiên cứu, xây dựng triển khai ứng dụng một hệ
SCADA cho các trạm năng lượng mặt trời được lắp đặt thử nghiệm tại Lào Cai. Phương pháp
truyền thông bằng mạng viễn thông 4G từ các tủ điện điều khiển tại hiện trường, nơi lắp đặt các
trạm năng lượng mặt trời, về phòng điều khiển trung tâm đã được áp dụng. Tại phòng điều khiển
trung tâm, sử dụng các thiết bị phần cứng đầu cuối để nhận dữ liệu này và kết nối với phần mềm
SCADA trên máy tính. Khác với các phần mềm SCADA của các hãng, được xây dựng đi kèm
với các sản phẩm thương mại trên thị trường, phần mềm này có tính năng mở, có khả năng kết
nối với hầu hết các bộ Inverter năng lượng mặt trời, có trang bị chuẩn truyền thông RS485.
2. Xây dựng cấu trúc truyền thông
Hệ thống trạm năng lượng mặt trời được nghiên cứu lắp đặt thử nghiệm tại Lào Cai gồm 3 trạm:
Trạm 1: Công suất 10 KW hòa lưới trực tiếp, không có Acquy lưu trữ, được lắp đặt tại trung tâm
ứng dụng tiến bộ Khoa học và Công nghệ (KH&CN) thuộc Sở Khoa học công nghệ tỉnh Lào Cai.
Trạm 2: Công suất 5 KW hòa lưới có sử dụng Acquy lưu trữ, được lắp đặt tại Nhà máy nước
Cốc San – Công ty Cổ phần cấp nước tỉnh Lào Cai.
Trạm 3: Công suất 10 KW hòa lưới trực tiếp, không có Acquy lưu trữ, được lắp đặt tại bệnh
viện Đa khoa tỉnh Lào Cai.
Phòng điều khiển trung tâm được đặt tại trung tâm ứng dụng tiến bộ KH&CN thuộc Sở Khoa
học công nghệ tỉnh Lào Cai với các thiết bị đầu cuối và máy tính được xây dựng phần mềm
SCADA giám sát cả hệ thống gồm 3 trạm trên, nó được xây dựng trên nền phần mềm ứng dụng
Kingview có bản quyền.
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền thông từ các trạm về phòng điều khiển trung tâm được
trình bày như hình 1.
Thiết bị hiện trường tại mỗi trạm như hình 2, bao gồm: Các tấm PIN, Bộ nghịch lưu DC/AC,
tủ hòa lưới, Tủ Acquy (đối với hệ thống hòa lưới có lưu trữ), Tủ điều khiển truyền thông (bao
gồm PLC Siemens S7 1200 và router 4G F3425).
242
TNU Journal of Science and Technology
226(07): 241 – 246
Kingview
SCADA
PC
MODEM
VPN
Cá
p
quang
INTERNET
Tủ hòa
lưới
Tủ Acqu
Tủ nghịch lưu
4G
4G
DC/AC
4G
Tủ ĐK
truyền thôn
Router
4G
Router
4G
Router
4G
LAN (RJ45)
LAN (RJ45)
LAN (RJ45)
PLC
PLC
PLC
RS485
RS485
RS485
NghÞch l u +
NghÞch l u +
NghÞch l u +
Hßa l íi 10kW Hßa l íi 5kW
Hßa l íi 10kW
Trung t©m øng
dông tiÕn bé
KH&CN
Nhµ m¸y n íc
Cèc San
BÖnh viÖn ®a
khoa tØnh Lµo Cai
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc truyền thông từ các trạm về
phòng điều khiển trung tâm
Hình 2. Cấu hình phần cứng tại mỗi trạm
Tủ điều khiển truyền thông có chức năng thu thập tín hiệu tại hiện trường và truyền thông về
một sản phẩm Router 4G của hãng Four-Faith. F3425 hỗ trợ 3G/4G, có 01 cổng WAN (có thể
cấu hình thành LAN), 01 cổng LAN, hỗ trợ wifi giúp dễ dàng trong quá trình sử dụng, kết nối với
PLC S7-1200 thông qua cổng Ethernet. Theo mô hình trên, việc kết nối từ PLC về máy tính trung
4G - F3425 sẽ đóng vai trò là VPN Client, phía router ở máy tính trung tâm sẽ là VPN server. Để
truyền thông được, cần có 01 sim điện thoại có đăng ký dịch vụ 4G từ nhà mạng.
a)
b)
Hình 3. a. Rounter 4G – F3425; b. Modem VPN Vigor 2912
243
TNU Journal of Science and Technology
226(07): 241 – 246
Do Router 4G – F3425 luôn “chủ động” kết nối để truyền thông về máy tính theo giao thức
TCP/IP, nên tại máy chủ trung tâm cần được trang bị 01 địa chỉ IP tĩnh và public. Router server
cần có chức năng VPN server để kết nối VPN từ hiện trường về trung tâm. Trong nghiên cứu
kết nối về. Tức là cho phép kết nối trạm khác nhau về cùng một trung tâm.
Các tủ nghịch lưu DC/AC tại các trạm năng lượng mặt trời, có đặt một màn hình HMI để
theo dõi và giám sát các thông số năng lượng riêng của trạm (hình 4). Tại phòng điều khiển trung
tâm có xây dựng một phần mềm giám sát SCADA toàn bộ hệ thống cả 3 trạm.
Hình 4. HMI tại hệ thống trạm 5 kW
Hình 5. Giao diện giám sát trung tâm của nhà máy
nước Cốc San
3. Kết quả thực nghiệm
Sau khi người sử dụng đăng nhập vào phần mềm SCADA bằng User và Pasword được cấp.
Phần mềm SCADA cho phép làm việc với một số giao diện như: Giao diện giám sát trung tâm;
Giao diện đồ thị; Giao diện tra cứu và xử lý dữ liệu; Giao diện cảnh báo. Ngoài ra phần mềm còn
cho phép người dùng thay đổi mật khẩu, nếu cần thiết.
3.1. Giao diện giám sát trung tâm
Tại giao diện này, người sử dụng có thể giám sát được các tham số về dòng điện, điện áp,
công suất của các tấm pin, Acquy và các đầu ra tải cũng như đầu ra hòa lưới của các bộ biến đổi
tại các khu vực. Phần mềm cũng tự động tính lũy kế tham số công suất phát theo từng ngày, từng
tháng và từng năm của các đầu ra bộ biến đổi (hình 5, hình 6 và hình 7).
Ngoài ra tại giao diện này cũng cung cấp một số nút điều hướng giúp người vận hành có thể
giám sát, tra cứu dữ liệu và chuyển các giao diện giám sát tại các khu vực khác nhau.
Hình 6. Giao diện giám sát trung tâm của Bệnh
viện đa khoa tỉnh Lào Cai
Hình 7. Giao diện giám sát trung tâm của Trung
tâm ứng dụng tiến bộ KH&CN
3.2. Giao diện đồ thị
Giao diện đồ thị giúp người sử dụng theo dõi dòng điện và điện áp đầu ra tại các trạm một
cách trực quan theo thời gian thực và có thể tra lại lịch sử đồ thị từ những thời điểm bất kỳ trong
quá khứ (hình 8 và hình 9).
244
TNU Journal of Science and Technology
226(07): 241 – 246
Hình 8. Đồ thị dòng diện tại trạm Cốc San
Hình 9. Đồ thị điện áp tại trạm Cốc San
3.2. Giao diện tra cứu và xử lý dữ liệu
Giao diện tra cứu và xử lý dữ liệu (hình 10) giúp người vận hành tra cứu lũy kế công suất phát
của các đầu ra bộ chuyển đổi theo ngày hoặc tháng. Mỗi trạm khác nhau sẽ có giao diện tra cứu
riêng. Vì vậy, để vào giao diện tra cứu của trạm nào thì cần phải vào giao diện giám sát trung tâm
của trạm đó trước.
Hình 10. Chọn tra cứu dữ liệu theo tháng trạm Cốc San
Hình 11. Xuất dữ liệu trạm Cốc San ra file excel
Sau khi tra cứu dữ liệu, người vận hành có thể tiến hành xuất ra file Excel dữ liệu bảng tra cứu
nếu có nhu cầu. File Excel được xuất sẽ được lưu vào ổ đĩa máy tính (hình 11).
Trong quá trình sử dụng khi có nhu cầu xóa các dữ liệu cũ theo ngày hoặc tháng, người sử
dụng có thể vào giao diện xóa dữ liệu bằng cách kích vào nút “Xóa Dữ Liệu” tại các giao diện
tra cứu (hình 12).
Hình 12. Xóa dữ liệu trạm Cốc san
Hình 13. Giao diện cảnh báo
3.3. Giao diện cảnh báo
Trong quá trình vận hành, nếu có bất kỳ lỗi nào phát sinh tại các trạm, nút “Cảnh Báo” ở các
giao diện giám sát trung tâm sẽ nhấp nháy liên tục để báo hiệu. Để truy cập tới giao diện cảnh
báo, người sử dụng kích vào nút “Cảnh báo”. Trong giao diện cảnh báo được chia làm 2 bảng
dữ liệu (hình 13).
245
TNU Journal of Science and Technology
226(07): 241 – 246
• Dữ liệu cảnh báo online: Nằm ở phía bên trái giao diện, hiển thị các trạng thái lỗi kèm
thời gian lỗi tức thời. Nghĩa là nếu lỗi được giải trừ thì sẽ không tiếp tục hiển thị nữa.
• Dữ liệu lịch sử cảnh báo: Nằm ở phía bên phải giao diện, hiển thị lịch sử các trạng thái
lỗi, kể các khi lỗi bị giải trừ hệ thống vẫn sẽ lưu lại trạng thái và thời điểm phát sinh lỗi.
4. Kết luận
Bài báo trình bày một phần kết quả nghiên cứu của đề tài nghiên cứu khoa học cấp tỉnh, từ kết
quả thực nghiệm cho thấy: Phần mềm SCADA được xây dựng bằng ngôn ngữ tiếng Việt, do đó
dễ vận hành và thao tác, cho phép hiển thị các thông số dòng điện, điện áp, công suất của các
trạm, bao gồm: Tấm PIN, lưới, tải và Acquy. Phần mềm cũng có chức năng lưu trữ lịch sử làm
việc và các cảnh báo theo thời gian thực, có thể xuất dữ liệu ra file excel, đồng thời vẽ đồ thị đặc
tính dòng điện, điện áp, công suất của từng trạm.
Đặc biệt phần mềm SCADA này có khả năng kết nối với hầu hết các bộ nghịch lưu hòa lưới
của các hãng đang được phân phối trên thị trường và có thể mở rộng lên tới 32 trạm cùng lúc.
Việc truyền thông được thực hiện thông qua mạng viễn thông 4G, nên cho phép truyền với
khoảng cách không giới hạn, tốc độ truyền lên đến 8 Mbs.
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Uỷ ban nhân dân tỉnh Lào Cai, thông qua đề tài nghiên cứu
khoa học cấp tỉnh, tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa
lưới ứng dụng phù hợp cho cơ quan công sở, trường học, doanh nghiệp tại thành phố Lào Cai”,
cùng với sự tài trợ về nhân lực và thiết bị máy móc của Công ty Cổ phần cơ điện tử ASO.
TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES
[1] D. Delimustafic, J. Islambegovic, A. Aksamovic, and S. Masic, “Model of a hybrid renewable energy
system: Control, supervision and energy distribution,” 2011 IEEE International Symposium on
Industrial Electronics, 2011, pp. 1081-1086.
[2] A. Tsagaris and D. G. Triantafyllidis, “Data monitoring system for supervising the performance
assessment of a photovoltaic park,” CINTI 2012
-
13th IEEE International Symposium on
Computational Intelligence and Informatics, Proceedings, 2012, pp. 385-389.
[3] S. Tiwari and R. N. Patel, “Real Time Monitoring of Solar Power Plant and Automatic Load Control,”
Engineering and Systems (SCES), 2015 IEEE Students Conference on, 2015, pp. 1-6.
[4] P. Guerriero, F. Di Napoli, G. Vallone, V. Dalessandro, and S. Daliento, “Monitoring and diagnostics
of PV plants by a wireless self-powered sensor for individual panels,” IEEE Journal of Photovoltaics,
vol. 6, no. 1, pp. 286-294, 2016.
[5] P. Guerriero, G. Vallone, M. Primato, F. Di Napoli, L. Di Nardo, V. D’Alessandro, and S. Daliento, “A
wireless sensor network for the monitoring of large PV plants,” 2014 International Symposium on
Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2014, pp. 960-965.
[6] G. Bayrak and M. Cebeci, “Monitoring a grid connected PV power generation system with labview,”
IEEE Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), 2013 International Conference on,
2013, pp. 562-567.
[7] C. I. Chow and J. Mungkornassawakul, “A smart recording power analyzer prototype Using LabVIEW
and low-cost data acquisition (DAQ) in being a smart renewable monitoring system,” IEEE Green
Technologies Conference, 2013, pp. 49-56.
[8] C. Lin, G. Jie, Z. Wu, and W. Rui, “Design of networked monitoring system of PV grid-connected
power plant,” Proceedings of 2011 International Conference on Electronic and Mechanical
Engineering and Information Technology, EMEIT 2011, 2011, vol. 3, pp. 1169-1172.
[9] A. Soetedjo, Y. I. Nakhoda, and D. Suryadi, “Development of data acquisition system for hybrid power
plant,” 2013 13th International Conference on Quality in Research, QiR 2013 - In Conjunction with
the 2nd International Conference on Civic Space, ICCS 2013, 2013, pp. 197-201.
246
6 trang
7120
Bạn đang xem tài liệu "Xây dựng hệ điều khiển giám sát các trạm điện năng lượng mặt trời hòa lưới, ứng dụng tại Lào Cai", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- xay_dung_he_dieu_khien_giam_sat_cac_tram_dien_nang_luong_mat.pdf
