کاربرد اسکادا SCADA در سیستم‌های توزیع برق

مقدمه

امروزه کنترل توسط کامپیوترها یکی از مقرون به صرفه‌ترین راه‌حل‌های بهبود قابلیت اطمینان، عملکرد بهینه، کنترل هوشمند و حفاظت از سیستم قدرت است. سیستم اسکادا، که در مطلب «سیستم اسکادا SCADA چیست و چه کاربردهایی دارد؟» با آن آشنا شدیم، با برخورداری از قابلیت‌های پیشرفته جمع‌آوری داده‌ها، نقش مهمی در بهره‌برداری از سیستم قدرت ایفا می‌کند.

معمولاً در سیستم توزیع برق، اسکادا چیزی فراتر از جمع‌آوری ساده داده‌ها است و با خودکارسازی کل شبکه توزیع و تسهیل نظارت، هماهنگی، کنترل و بهره‌برداری بخش‌های توزیع از راه دور، درست مانند سیستم شبکه هوشمند عمل می‌کند.
پیش از آشنایی با اتوماسیون توزیع با استفاده از اسکادا، این موضوع را بررسی می‌کنیم که SCADA دقیقاً چیست و عملکردش در سیستم توزیع چگونه است.

اسکادا چیست؟

کنترل نظارت‌شده و جمع‌آوری داده‌ها (Supervisory Control and Data Acquisition) یا به طور ساده اسکادا (SCADA) یکی از راه‌حل‌های موجود برای سیستم‌های جمع‌آوری، نظارت و کنترل داده‌ها است که مناطق وسیع جغرافیایی را پوشش می‌دهد. در واقع، اسکادا به ترکیبی از اکتساب داده و تله‌متری (اندازه‌گیری از راه دور) اشاره دارد.

سیستم‌های اسکادا عمدتاً برای اجرای سیستم پایش (مانیتورینگ) و کنترل تجهیزات یا فرایندها در صنایع مختلف مانند نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌های نفت و گاز، کنترل آب و پسماند، مخابرات و غیره استفاده می‌شوند.

در این سیستم، اندازه‌گیری‌ها در سطح میدان (یا سایت یا محل) یا فرایند در یک سیستم با تعداد واحدهای پایانه راه دور انجام می‌شود و سپس داده‌ها به کامپیوتر میزبان مرکزی اسکادا منتقل می‌شود تا اطلاعات کامل‌تری از فرایند یا تولید از راه دور به‌دست آید.

این سیستم داده‌های دریافتی را روی نمایشگرهای اپراتورها نمایش می‌دهد و اقدامات کنترلی لازم را به واحدهای پایانه راه دور در فرایند منتقل می‌کند.

اجزای سیستم اسکادای رایج

اجزای اصلی در سیستم اسکادا عبارتند از:

واحدهای پایانه راه دور (RTU)

آر‌تی‌یو بخش اصلی سیستم اسکادا است که ارتباط مستقیمی با سنسورها، کنتورها و محرک‌های مختلف مرتبط با سیستم کنترل دارد.
این RTUها چیزی جز کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) بلادرنگ نیستند که وظیفه آن‌ها تبدیل صحیح اطلاعات ایستگاه راه دور به شکل دیجیتال برای مودم به منظور انتقال داده‌ها است. همچنین، وظیفه دیگر آن‌ها تبدیل سیگنال‌های دریافتی از واحد اصلی به منظور کنترل تجهیزات فرایند از طریق محرک‌ها و سوئیچ باکس‌ها است.

واحدهای پایانه اصلی (MTU)

یک سرور مرکزی میزبان، که واحد پایانه اصلی (MTU)‌ نامیده می‌شود و گاهی اوقات «مرکز اسکادا» نیز به آن اطلاق می‌شود، با انجام عملیات خواندن و نوشتن در طول اسکن برنامه‌ریزی‌شده با چندین RTU ارتباط برقرار می‌کند. علاوه بر این، کنترل، هشدار، شبکه‌سازی با سایر گره‌ها و غیره را نیز انجام می‌دهد.

سیستم ارتباطات

شبکه ارتباطی داده‌ها را بین سرورهای کامپیوتر میزبان مرکزی و دستگاه‌های رابط داده‌های میدانی و واحدهای کنترل جابه‌جا می‌کند. بستر انتقال می‌تواند کابل، رادیو، تلفن، ماهواره و… یا هر ترکیبی از این‌ها باشد.

اتاق اپراتور

اتاق‌های اپراتوری پایانه‌های کامپیوتری هستند که از نرمافزار استاندارد واسط بین انسان و ماشین (Human Machine Interface) یا HMI  تشکیل و با یک کامپیوتر میزبان مرکزی شبکه شده‌اند. این اتاق‌ها که برای نظارت و کنترل پارامترهای میدانی راه دور مورد استفاده قرار می‌گیرند، اطلاعات را از  کامپیوتر میزبان درخواست و به آن ارسال می‌کنند.

اتوماسیون سیستم توزیع برق

سیستم‌های اسکادای مدرن جایگزین مناسبی برای انجام وظایف توزیع الکتریکی و فرایندهای دستی در سیستم‌های توزیع با تجهیزات خودکار هستند. اسکادا کارایی سیستم توزیع برق را با ارائه قابلیت‌هایی مانند نمایش بلادرنگ عملیات، روند و ثبت اطلاعات، حفظ ولتاژ، جریان و ضریب توان مطلوب، هشدار و غیره به حداکثر می‌رساند.

اسکادا نظارت، حفاظت و کنترل خودکار تجهیزات مختلف در سیستم‌های توزیع را با استفاده از دستگاه‌های الکترونیکی هوشمند (یا RTU) انجام می‌دهد. این سرویس برق را در شرایط خطا بازیابی و همچنین شرایط عملیاتی مورد نظر را حفظ می‌کند.
اسکادا، همچنین، قابلیت اطمینان عرضه را با کاهش مدت زمان قطعی بهبود می‌بخشد و عملکرد سیستم توزیع را مقرون به صرفه می‌کند. بنابراین، سیستم اسکادای توزیع بر کل سیستم توزیع برق نظارت دارد. عملکردهای اصلی SCADA را می‌توان به انواع زیر دسته‌بندی کرد:

• کنترل پست
• کنترل فیدر
• کنترل بار مصرف‌کننده نهایی

کنترل پست با استفاده از اسکادا

در سیستم اتوماسیون پست، SCADA عملیاتی مانند کنترل ولتاژ باس، متعادل‌سازی بار باس، کنترل جریان در گردش، کنترل اضافه‌بار، حفاظت خطای ترانسفورماتور، حفاظت خطای باس و غیره را انجام می‌دهد.
سیستم اسکادا به طور مداوم وضعیت تجهیزات مختلف در پست را کنترل می‌کند و بر این اساس، سیگنال‌های کنترلی را به تجهیزات کنترل از راه دور ارسال می‌کند. همچنین داده‌های گذشته پست را جمع‌آوری و در صورت بروز حوادث یا خطا، هشدار تولید می‌دهد.

شکل بالا سیستم کنترل رایج مبتنی بر SCADA را برای پست برق نشان می‌دهد. ماژول‌های مختلف ورودی/خروجی (I/O) متصل به تجهیزات پست، داده‌های پارامترهای میدانی، از جمله وضعیت سوئیچ‌ها، قطع‌کننده‌های مدار (بریکرها)، ترانسفورماتورها، خازن‌ها و باتری‌ها، مقادیر ولتاژ و جریان و غیره را جمع‌آوری می‌کنند. RTUها نیز داده‌های ورودی/خروجی را جمع‌ می‌کنند و از طریق ماژول‌های رابط شبکه، به واحد اصلی از راه دور منتقل می‌کنند.

کنترل‌ مرکزی یا واحد اصلی، اطلاعات را دریافت و ثبت می‌کند، روی HMI نمایش می‌دهد و اقدامات کنترلی را بر اساس داده‌های دریافتی تولید می‌کند. همچنین، این کنترل‌کننده مرکزی وظیفه تولید تحلیل روند، هشدار متمرکز و گزارش‌دهی را نیز بر عهده دارد.

تاریخ‌نگار داده، ایستگاه‌ کار (Workstation)، واحد پایانه اصلی و سرورهای ارتباطی توسط LAN در مرکز کنترل متصل می‌شوند. همچنین، از یک اتصال شبکه گسترده (WAN) با ارتباطات پروتکل استاندارد برای انتقال اطلاعات بین سایت‌های میدان و کنترل‌کننده مرکزی استفاده می شود.
بنابراین، با اجرای SCADA برای کنترل پست، در نهایت قابلیت اطمینان شبکه بهبود می‌یابد و با سرعت بالای انتقال اندازه‌گیری‌ها و دستورات کنترل، زمان خرابی را به حداقل می‌رسد.

کنترل فیدر با استفاده از اسکادا

این اتوماسیون شامل کنترل ولتاژ فیدر یا VAR و سوئیچینگ اتوماتیک فیدر است. کنترل ولتاژ فیدر عملیات تنظیم ولتاژ و جایابی خازن را انجام می‌دهد، در حالی که سوئیچینگ فیدر با سوئیچینگ از راه دور فیدرهای مختلف، تشخیص عیوب، شناسایی محل خطا، عملیات جداسازی و بازیابی سرویس سروکار دارد.

در این سیستم، معماری اسکادا با استفاده از واحدهای تشخیص عیبِ بی‌سیمِ مستقر در ایستگاه‌های تغذیه مختلف، به طور مداوم عیوب و محل رخ دادن آن‌ها را بررسی می‌کند. علاوه بر این، سوئیچینگِ از راه دور و جمع‌آوری داده‌های گذشته پارامترهای فیدر و وضعیت آن‌ها را تسهیل می‌کند. شکل زیر اتوماسیون فیدر با استفاده از SCADA را نشان می‌دهد.

در شبکه معمولی اسکادای فوق، فیدرهای مختلف (شبکه‌های زمینی و همچنین هوایی) با دستگاه‌های ماژولار و یکپارچه خودکار می‌شوند تا تعداد و مدت قطعی‌های برق کاهش یابد. دستگاه‌های تشخیص عیب زمینی و هوایی، اطلاعات دقیقی در مورد خطاهای گذرا و حالت دائم ارائه می‌دهند تا از راه دور، اقدامات پیشگیرانه و اصلاحی به منظور کاهش تکرارپذیری خطا انجام شود.

واحدهای اصلی حلقه و واحدهای کنترل از راه دور (RTU) شبکه زمینی و هوایی مسئولیت تعمیر و نگهداری و وظایف عملیاتی مانند سوئیچینگ بار از راه دور، اتصال بانک خازنی و تنظیم ولتاژ را بر عهده دارند. به منظور تسهیل مدیریت انرژی از راه دور در ایستگاه مانیتورینگ مرکزی، کل شبکه از طریق یک بستر ارتباطی به هم متصل است.

اتوماسیون کنترل بار مصرف‌کننده توسط اسکادا

این نوع اتوماسیون در سمت مصرف‌کننده، عملکردهایی مانند کنترل بار از راه دور، خواندن خودکار کنتور، ارائه قبض برق و غیره را ارائه می‌کند. همچنین، مصرف انرژی توسط مصرف‌کنندگان بزرگ و قیمت‌گذاری مناسب برحسب تقاضا یا زمان‌بندی را فراهم می‌کند. علاوه بر این، دستکاری در کنتور و سرقت برق را تشخیص می‌دهد و در صورت لزوم، سرویس از راه دور را قطع می‌کند. پس از رفع مشکل، سرویس دوباره وصل می‌شود.

شکل بالا یک سیستم مدیریت داده متمرکز را با استفاده از اسکادا نشان می‌دهد که یک گزینه سهل‌الوصول و مقرون به صرفه برای خودکار کردن داده‌های کنتور برق برای اهداف صورتحساب است.
در این پیکربندی، کنتورهای هوشمند با یک واحد ارتباطی، اطلاعات مصرف انرژی را استخراج کرده و در اختیار اتاق کنترل مرکزی و همچنین واحد ذخیره‌سازی داده‌های محلی قرار می‌دهند. در اتاق کنترل مرکزی، واحد کنترل AMR به طور خودکار تمام داده‌های کنتور را بازیابی، ذخیره و تبدیل می‌کند.

مودم‌ها یا دستگاه‌های ارتباطی نیز، ارتباط دوطرفه ایمن را بین اتاق کنترل مرکزی و مانیتورینگ و محل‌های راه دور فراهم می‌کنند.

مزایای پیاده‌سازی اسکادا در سیستم توزیع برق

از مزایای اسکادا در سیستم توزیع برق، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• با توجه به تشخیص به‌موقع عیوب، می‌توان از آسیب تجهیزات جلوگیری کرد.
• نظارت و کنترل مستمر شبکه توزیع از نقاط دور انجام می‌شود.
• با حذف عملیات دستی تجهیزات توزیع، در هزینه نیروی کار صرفه‌جویی می‌شود.
• با نظارت در سراسر سیستم و صدور هشدار، زمان خاموشی کاهش می‌یابد و خرابی‌ها به‌سرعت رفع می‌شود.
• بازیابی سرویس پس از وقوع خطا بهبود می‌یابد.
• پروفایل ولتاژ با اصلاح ضریب توان و کنترل VAR بهبود پیدا می‌کند.
• مشاهده داده‌های گذشته از راه‌های مختلف تسهیل می‌شود.
• با کاهش نیاز به افراد برای قرائت کنتور، هزینه نیروی کار کم می‌شود.

منبع: Electrical Technology