Xây dựng hệ thống giám sát mực nước Đập thuỷ điện sử dụng công nghệ Lora

1. Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, tốc độ công nghiệp hoá tăng nhanh dẫn đến nhu cầu về điện tăng cao. Trong đó, thủy điện đóng vai trò vô cùng to lớn, và là một cấu phần quan trọng của ngành điện đảm bảo cung ứng điện cho toàn bộ nền kinh tế.

Hiện nay cả nước có 385 công trình thủy điện với tổng công suất lắp đặt 18.564 MW đang vận hành. Tính chung 11 tháng năm 2023, sản lượng điện sản xuất từ thủy điện đạt 74,57 tỷ kWh, chiếm 29% tổng sản lượng điện năng của cả nước. Đây là nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo, giá thành rẻ hơn so với các nguồn khác. Các hồ chứa của công trình thủy điện với tổng dung tích khoảng 56 tỷ m3, chiếm 86% tổng dung tích hồ chứa trên cả nước, đã góp phần quan trọng vào việc cắt lũ, điều tiết nước cho hạ du và sản xuất điện năng.

Hiện nay, giám sát mực nước hồ chứa chính xác trong mùa lũ nhằm điều tiết lưu lượng xả rất quan trọng, cũng như việc giám sát mực nước hồ chứa trong vận hành liên hồ khi tham gia thị trường điện cần đảm bảo sự tối ưu. Trong khi đó việc giám sát mực nước bằng camera do con người đọc không thực sự tin cậy và chính xác.

Trong bài viết này, BKAS Co Ltd sẽ đưa ra phương án xây dựng hệ thống giám sát tự động mực nước Đập thuỷ điện truyền về hệ thống SCADA Nhà máy sử dụng công nghệ Lora.

2. Công nghệ Lora là gì ?

Lora (Long Range Radio) là công nghệ truyền dữ liệu thông qua sóng vô tuyến, dựa trên công nghệ điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS). Chúng cho phép các thiết bị truyền dữ liệu ở khoảng cách xa hàng km, ít nhiễu mà tiêu thụ điện năng rất thấp.

Với ưu điểm và khoảng cách truyền và tiêu tốn năng lượng ít nên công nghệ này được ứng dụng trong các lĩnh vực IoT, tự động hoá công nghiệp, tìm kiếm cứu hộ và thiết bị định vị đeo tay.

Hình 1: So sánh các công nghệ truyền dữ liệu thông qua sóng vô tuyến

3. Lợi thế khi xử dụng công nghệ Lora

• Khoảng cách kết nối xa: Khoảng cách truyền của Lora lớn hơn rất nhiều so với Bluetooth và sóng Wifi, ít bị cản trở bởi cây cối, toà nhà.
• Không cần kết nối Internet: Các giải pháp khác sử dụng Modem 4G hoặc Webserver cần phải có kết nối mạng Internet. Nhưng tại đa số tại các Đập tràn sẽ không có mạng Internet, sóng di động yếu. Khi sử dụng Lora sẽ tạo ra tính độc lập, không cần phụ thuộc vào mạng Internet
• Độ ổn định và tin cậy cao: LoRa có khả năng xử lý tốt các tín hiệu nhiễu và can thiệp từ môi trường xung quanh. Điều này đảm bảo tính ổn định và đáng tin cậy của kết nối LoRa trong các môi trường có nhiều tín hiệu nhiễu.

4. Xây dựng hệ thống

Hệ thống sẽ gồm 2 khu vực là tại Đập nơi cần đo mực nước và tại phòng điều khiển SCADA/DCS.

4.1 Tại đập nước

Tại Đập nhà máy gồm các thành phần chính:

• Hệ thống cấp nguồn
• Cảm biến đo mực nước
• Bộ xử lý
• Bộ truyền thông Lora

Hệ thống cấp nguồn có khả năng dự phòng lấy nguồn từ nhà máy hoặc Pin mặt trời, cung cấp nguồn điện 24DC cho hệ thống hoạt động.

Bộ xử lý là các PLC hoặc RTU làm chức năng chuyển đổi tín hiệu Analog 4-20mA từ cảm biến mực nước sang tín hiệu truyền thông Modbus. Dữ liệu truyền thông Modbus RTU thông qua bộ Lora truyền tín hiệu về bộ Lora đặt tại Phòng điều khiển.

4.2 Tại phòng điều khiển

Tại phòng điều khiển lắp đặt thêm 1 bộ truyền thông Lora. Bộ này sẽ kết nối và truyền nhận thông tin với bộ Lora phía trên đập. Dữ liệu đầu ra RS485 được tích hợp vào hệ thống DCS/SCADA hiện hữu.

Tại đây người vận hành có thể giám sát mực nước đập thuỷ điện trên màn hình máy tính theo thời gian thực. Các dữ liệu này có thể được lưu trữ, xuất báo cáo phục vụ công tác thuỷ văn và kế hoạch chạy máy.

4.3 Mô hình kết nối

Hình 2: Mô hình kết nối hệ thống giám sát nước của Đập Thuỷ điện

4.4 Đề xuất thiết bị

STT	Thiết bị	Mã hàng
1	Bộ PLC	S7-1200 Siemen / ILC 171 Phoenix Contact
2	Bộ Lora	Ebyte
3	Cảm biến mực nước	Vega Plus

5. Kết luận

Giải pháp này có các ưu điểm:

• Giám sát được mực nước theo thời gian thực.
• Tích hợp tín hiệu và hệ thống SCADA hiện hữu thông qua kết nối Modbus RTU.
• Sử dụng công nghệ Lora, không cần kéo dây kết nối từ đập về phòng điều khiển giúp tiết kiệm rất nhiều chí phí.
• Hệ thống độc lập, lợi thế hơn các phương án sử dụng Modem 4G và kết nối Ethernet cần phải có SIM di động hoặc đường cáp quang nhà mạng.
• Dễ dàng triển khai và đưa vào sử dụng.

Nhược điểm:

• Công nghệ Lora chỉ có cho phép khoảng cách truyền vài km, vì vậy phương án này chỉ áp dụng được cho các nhà máy có đập cách nhà máy khoảng vài km.

Trên đây là bài viết giới thiệu về giải pháp giám sát mực nước Đập thuỷ điện và phương án tích hợp vào hệ thống SCADA. Cảm ơn Quý bạn đọc đã quan tâm theo dõi !