Một đường truyền Ethernet đồng bốn cặp thông thường chỉ đạt khoảng 100 mét, trong khi một địa điểm điện mặt trời hoặc điện gió trải dài hàng ki-lô-mét, chứ không chỉ gói gọn trong một tủ điều khiển. Hãy sử dụng cáp đồng chống nhiễu EMC, ETHERLINE® cho Ethernet và UNITRONIC® cho bus trường, bên trong tủ biến tần hoặc tủ trên buồng máy, và chuyển sang cáp quang HITRONIC® cho các kết nối giữa các khối biến tần hoặc giữa các tuabin, cũng như cho đường truyền trục chính dài quay về phòng SCADA. Cáp quang giải quyết được vấn đề khoảng cách, và vì môi trường truyền dẫn quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu dẫn hoặc nhiễu bức xạ, nó giúp loại bỏ hoàn toàn vấn đề nhiễu điện dọc theo đường truyền.
Bài viết này chuyển trọng tâm từ các linh kiện, vốn đã được đề cập trong hai tuần đầu tiên của chuỗi bài này, sang mạng lưới kết nối mọi biến tần, tuabin và phòng điều khiển trên toàn bộ địa điểm. Bài viết cung cấp cho các đơn vị tích hợp SCADA và nhà thầu EPC cách tư duy về một nhà máy điện mặt trời hoặc trang trại điện gió quy mô công nghiệp theo ba cấp độ: đường truyền cục bộ bên trong tủ biến tần hoặc tủ trên buồng máy, kết nối giữa các khối biến tần hoặc giữa các tuabin, và đường truyền trục chính dài quay về phòng điều khiển. ETHERLINE®, UNITRONIC® và HITRONIC® là lớp vật lý bên dưới hệ thống tự động hóa của địa điểm, chứ không phải bản thân hệ thống tự động hóa đó.
Bài viết này dành cho các kỹ sư SCADA và hệ thống điều khiển, các nhà thầu EPC chịu trách nhiệm lắp đặt hệ thống truyền thông toàn nhà máy, và các kỹ sư vận hành & bảo trì (O&M) đang xử lý sự cố mất kết nối tại các nhà máy điện mặt trời hoặc trang trại điện gió trên khắp Việt Nam, Thái Lan, Philippines và Indonesia. Nội dung này áp dụng ở giai đoạn thiết kế mạng lưới nhà máy, khi các yếu tố như cáp đồng so với cáp quang, số lượng nút và khoảng cách trục chính được xác định cùng với lịch trình cáp nguồn, và một lần nữa ở giai đoạn chẩn đoán lỗi, khi một nút từ xa liên tục mất kết nối với SCADA.
Tại sao Ethernet đồng lại không đáp ứng được khoảng cách tại các địa điểm điện mặt trời hoặc điện gió?
Một đường truyền Ethernet đồng bốn cặp thông thường được quy định tối đa khoảng 100 mét, một giới hạn mà các nhà máy điện mặt trời hoặc trang trại điện gió quy mô công nghiệp vượt qua ngay cả trước khi đường cáp đầu tiên rời khỏi tủ biến tần hoặc tủ trên buồng máy. Một địa điểm điện mặt trời có thể có hàng chục nút biến tần hoặc hộp gom tương tự nhau, và một địa điểm điện gió có hàng chục nút tuabin tương tự nhau; việc giữ cho thông số kỹ thuật nhất quán trên tất cả các nút đó là một bài toán khác so với việc chỉ xác định cho một tủ điều khiển đơn lẻ.
Cáp truyền thông tại các địa điểm năng lượng tái tạo thường được đi cùng với cáp nguồn, đồng thời phải tiếp xúc với tia UV và nguy cơ từ loài gặm nhấm mà cáp dùng trong nhà hiếm khi gặp phải. Và khi một chỉ số SCADA bị mất tại một biến tần hoặc tuabin cụ thể, lỗi có thể nằm ở cáp, đầu nối hoặc lớp phần mềm, và việc kiểm tra từng nút để tìm ra nguyên nhân sẽ làm tăng chi phí và thời gian dừng máy. LAPP đã có các bài viết về cách lựa chọn cáp PROFINET và cách chọn cáp nhảy Ethernet công nghiệp theo tiêu chuẩn Cat; cả hai đều là hướng dẫn chọn giao thức và cáp cho một tủ điều khiển hoặc máy đơn lẻ, không phải cho một mạng lưới trải dài hàng ki-lô-mét.
Chi phí của một nút bị mất kết nối không chỉ nằm ở khâu chẩn đoán. Tại một địa điểm điện gió hoặc điện mặt trời, việc xác nhận lỗi do cáp, đầu nối hay lớp phần mềm có thể đòi hỏi một chuyến đi thực địa đến tuabin hoặc khối biến tần nằm ở vị trí khó tiếp cận. Một mạng lưới được thiết kế để ngăn chặn lỗi ngay từ đầu sẽ tiết kiệm chi phí hơn so với một mạng lưới phải chẩn đoán sau khi sự cố đã xảy ra.
Điều gì bảo vệ kết nối truyền thông khỏi nhiễu EMI từ biến tần và máy phát điện?
Bên trong tủ biến tần hoặc tủ trên buồng máy, đường truyền ngắn nằm gần nguồn nhiễu: một biến tần chuyển mạch ở tần số cao, máy phát điện hoặc biến tần điều khiển động cơ (VFD). Cáp đồng chống nhiễu EMC, ETHERLINE® cho Ethernet và UNITRONIC® cho bus trường, đảm nhận đường truyền đó, được chế tạo để loại bỏ nhiễu dẫn và nhiễu bức xạ mà cáp thông thường sẽ thu phải dưới dạng các gói tin SCADA bị mất. Hướng dẫn EMC dành cho đội ngũ kỹ thuật nhà máy của chúng tôi bao gồm các nguyên tắc cơ bản làm nền tảng cho bài viết này.
Một loại cáp có lớp che chắn (shield) không đảm bảo tính liên tục hoàn hảo có thể làm hở khoảng cách nhiễu EMI mà nó được thiết kế để đóng lại, và một đường truyền có lớp che chắn chỉ tốt bằng điểm kết nối yếu nhất của nó. Bài viết của chúng tôi về cáp dữ liệu có lớp che chắn cho các điểm nóng EMI trong nhà máy giải quyết vấn đề tính liên tục tương tự trong môi trường công nghiệp nói chung. Tại địa điểm điện mặt trời hoặc điện gió, rủi ro cao hơn vì nút bị mất kết nối nằm xa hơn và khó tiếp cận cũng như chẩn đoán hơn.
Quy tắc về tính liên tục áp dụng như nhau bất kể đường truyền là Ethernet hay bus trường. Cáp bus trường UNITRONIC® bên trong tủ điều khiển cũng cần tính liên tục từ lớp che chắn đến đầu nối giống như cáp Ethernet ETHERLINE®. Một hệ thống lắp đặt hỗn hợp, có cả đường truyền bus trường và Ethernet trên cùng một địa điểm, không nên coi lớp che chắn của giao thức này là việc phụ vì giao thức kia mới là trọng tâm chính của ngày hôm đó.
Bài viết này đặt ra hai ranh giới rõ ràng. Cấu hình phần mềm SCADA, lập trình PLC và thiết lập RTU thuộc về đơn vị tích hợp tự động hóa; LAPP cung cấp lớp vật lý mà hệ thống tự động hóa chạy trên đó, chứ không phải bản thân hệ thống tự động hóa. Các câu hỏi cấp độ giao thức cho một tủ điều khiển đơn lẻ đã được giải đáp trong hướng dẫn chọn PROFINET và hướng dẫn về cáp nhảy đã được liên kết ở trên, nên sẽ không lặp lại ở đây.
Làm thế nào để xây dựng trục chính cáp quang giữa các khối biến tần hoặc tuabin?
Giữa các khối biến tần tại địa điểm điện mặt trời, hoặc giữa các tuabin tại địa điểm điện gió, và trên chặng đường dài quay về phòng SCADA, cáp đồng không còn đáp ứng được, thay vào đó cáp quang HITRONIC® sẽ đảm nhận việc truyền tải trên khoảng cách xa. Vì môi trường truyền dẫn quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu EMI dẫn hoặc bức xạ, nó hoàn toàn loại bỏ vấn đề nhiễu điện dọc theo đường truyền trục chính, không chỉ ở trong tủ điều khiển.
Vì một nhà máy điện mặt trời hoặc trang trại điện gió hiếm khi ngừng mở rộng sau giai đoạn đầu, nên cấu trúc liên kết (topology) trục chính cần được thiết kế cho quy mô dự kiến của địa điểm, không chỉ quy mô hiện tại. Việc thêm một khối biến tần hoặc một dãy tuabin sau này đồng nghĩa với việc mở rộng đường truyền cáp quang, chứ không phải thiết kế lại toàn bộ trục chính đã có sẵn.
Trục chính là nơi địa điểm mở rộng quy mô: việc một khối biến tần hoặc một tuabin không gửi được dữ liệu không nên gây rủi ro cho phần còn lại của mạng lưới, do đó cấu trúc liên kết cáp quang và số lượng nút được xác định dựa trên sơ đồ địa điểm, thay vì giả định từ một nhà máy nhỏ hơn. Để có số lượng sợi quang chính xác, chỉ số bán kính uốn cong và các loại đầu nối, các thông số kỹ thuật sản phẩm là nguồn tham khảo chính xác, thay vì một tuyên bố chung chung ở đây. Bài viết này nằm trong hướng dẫn kết nối năng lượng tái tạo toàn diện cho điện mặt trời, điện gió và lưu trữ của chúng tôi, trong đó đi sâu vào các lựa chọn ở cấp độ linh kiện từ một góc độ khác.
Trục chính cáp quang được thiết kế theo cách này cũng thay đổi cách cô lập lỗi. Nếu một khối biến tần hoặc tuabin đơn lẻ mất kết nối SCADA, việc truy vết lỗi sẽ thu hẹp lại phân đoạn đó thay vì nghi ngờ toàn bộ mạng lưới. Đó là vì quá trình chuyển đổi từ đồng sang quang và cấu trúc liên kết trục chính đã được thiết kế như những đại lượng riêng biệt, đã biết từ trước, chứ không phải lắp ghép ngẫu nhiên khi địa điểm mở rộng.
Trao đổi với các kỹ sư của chúng tôi
Không có điều nào trong số này đòi hỏi phải đoán định các thông số. Việc lựa chọn cáp và đầu nối cho trục chính cũng như cho đường truyền trong tủ điều khiển đều được xác nhận dựa trên bảng dữ liệu của dòng sản phẩm ETHERLINE®, UNITRONIC® hoặc HITRONIC® cụ thể, giống như cách mà phần còn lại của chuỗi bài viết này áp dụng cho các đầu nối và bộ dây cáp.
Nếu bạn đang thiết kế mạng lưới truyền thông cho một nhà máy điện mặt trời, trang trại điện gió mới hoặc chương trình nâng cấp công nghệ, các chuyên gia về kết nối của chúng tôi có thể giúp bạn tối ưu hóa quá trình chuyển đổi từ đồng sang quang phù hợp với sơ đồ địa điểm của bạn. Hãy cung cấp cho chúng tôi số lượng nút và khoảng cách trục chính, và chúng tôi sẽ chỉ định cho bạn thông số kỹ thuật ETHERLINE®, UNITRONIC® và HITRONIC® chính xác thay vì một linh kiện chung chung.
Liên hệ với các chuyên gia kết nối của chúng tôi thông qua trang yêu cầu thông tin LAPP SEA và đánh dấu chọn kênh điện gió và năng lượng tái tạo.
