Hardware-In-The-Loop (HIL) là gì?
Hardware-In-The-Loop (HIL) là một loại mô phỏng thời gian thực sử dụng phần cứng để mô phỏng vòng điều khiển. Mô phỏng HIL dùng để phát triển và thử nghiệm các thiết bị trong các hệ thống điều khiển, hệ thống bảo vệ và giám sát trong nhiều lĩnh vực như chế tạo ô tô, hàng không vũ trụ…, đặc biệt được ứng dụng trong việc kiểm tra, phân tích và tính toán mô phỏng hệ thống điện theo thời gian thực.
Hệ thống mô phỏng HIL bao gồm thiết bị mô phỏng số theo thời gian thực RTDS, đây là một máy tính số có cấu hình mạnh kết hợp với các cảm biến và các cơ cấu chấp hành và các giao diện truyền thông để thực hiện kết nối, tương tác với các thiết bị theo thời gian thực. Phần mềm mô phỏng được xây dựng trên một Workstation, cung cấp giao diện và thuật toán để xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống và gửi dữ liệu được biên dịch được tích hợp lên thiết bị RTDS, đồng thời hiển thị các kết quả mô phỏng của hệ thống.
Mô phỏng bằng công nghệ HIL có những ưu điểm vượt trội, với khả năng linh hoạt trong việc xây dựng cấu hình hệ thống cho phép thay thế bất cứ mô hình tương tự nào trong phòng thí nghiệm; liên kết được với các phần cứng cần thử nghiệm; thử nghiệm được các tác động của lỗi và tình trạng không mong đợi của cơ cấu chấp hành, cảm biến và máy tính trên toàn bộ hệ thống; có khả năng mở rộng liên kết được với các phần cứng cần thử nghiệm; giả lập được hầu hết các thiết bị điện và hệ thống điện;…từ đó giúp mô phỏng sát với thực tế hơn. Tuy nhiên, các thiết bị thực hiện được mô phỏng HIL luôn có giá thành cao nên việc ứng dụng vẫn chưa rộng rãi và phổ biến hiện nay.
Giải pháp HIL của hãng Opal-RT
Opal-RT Technologies là một công ty công nghệ có trụ sở đặt tại Canada, chuyên cung cấp các giải pháp mô phỏng theo thời gian thực trong nhiều lĩnh vực khác nhau như chế tạo ôtô, hàng không vũ trụ hay hệ thống điện. Opal-RT Techonologies cung cấp bộ giải pháp mô phỏng HIL bao gồm nền tảng phần cứng là các thiết bị số mô phỏng theo thời gian thực kết hợp với các phần mềm xây dựng mô hình mô phỏng của các hãng thứ ba.
Giải pháp HIL của Opal-RT dựa trên nền tảng phần cứng là các thiết bị số mô phỏng HIL theo thời gian thực đáp ứng nhanh (Fast Real-Time HIL Simulators), cho phép thời gian xử lý từ 100 nano giây đến 100 micro giây. Hiện có nhiều dòng sản phẩm khác nhau với thông số cấu hình và tính năng từ thấp tới cao nhằm đáp ứng linh hoạt nhu cầu của khách hàng trong việc mô phỏng một hệ thống đơn giản (như dòng thiết bị OP4512 hay OP4610XG) đến mô phỏng một hệ thống lớn và phức tạp (như dòng thiết bị OP5707XG hay OP5033XG). Các thiết bị số này đều được thiết kế linh hoạt theo hướng mô-đun hoá, hỗ trợ ghép nối nhiều thiết bị, có khả năng tuỳ biến và mở rộng kết nối đến các phần cứng khác thông qua các card I/O hoặc các giao thức truyền thông phổ biến như IEC 61850, IEC 60870-5-104…
Mặt trước và mặt sau thiết bị OP4510
Để xây dựng các mô hình mô phỏng, có thể sử dụng phần mềm RT-LAB hoặc HYPERSIM. Trong đó, HYPERSIM là phần mềm giả lập được phát triển bởi công ty Hydro-Quebec. Phần mềm cho phép mô phỏng phân tích hệ thống điện, các quá trình quá độ của điện và cơ, nguyên lý hoạt động của các hệ thống điều khiển, bảo vệ cũng như các hệ thống truyền tải điện HVDC hoặc FACTS.
Giao diện chính của phần mềm HYPERSIM
Phần mềm HYPERSIM được xây dựng trên kiến trúc mở với bộ xử lý song song tốc độ cao và khả năng mở rộng module để cung cấp trình mô phỏng cho thời gian thực. Cụ thể hơn, HYPERSIM cung cấp giao diện phần mềm trực quan, cho phép người dùng xây dựng các mô hình lưới điện bằng cách sử dụng thư viện gồm hơn 300 thành phần hệ thống điện và các bộ điều khiển, đồng thời phần mềm có khả năng tương thích với các chuẩn dữ liệu từ các chương trình mô phỏng phổ biến như Matlab Simulink, PSS®Sincal. HYPERSIM tự động phân tích cấu trúc liên kết hệ thống nguồn và xác định sự phân bố chia sẻ tài nguyên để đảm bảo tốc độ mô phỏng tốt nhất trên nhiều bộ xử lý. Tính năng này giúp giảm thời gian thiết kế mô phỏng và dễ dàng cho việc xây dựng các mô hình lớn. Bên cạnh đó, phần mềm HYPERSIM hỗ trợ một số chức năng nổi bật khác như thu thập, phân tích dữ liệu, xử lý tín hiệu và cho phép tạo ra các biểu đồ thông tin một cách nhanh chóng thông qua công cụ ScopeView; tự động hóa kiểm tra và phân tích để nhanh chóng tạo ra các báo cáo nghiên cứu chuyên sâu ở định dạng Excel hoặc PDF thông qua công cụ TestView.
Công cụ ScopeView của HYPERSIM
Ứng dụng giải pháp HIL trong mô phỏng vận hành lưới điện
Với nhu cầu phát triển phụ tải ngày càng lớn, các nguồn năng lượng tái tạo tích hợp ngày càng cao, lưới điện ngày càng trở nên phức tạp. Việc xây dựng mô hình thực nghiệm mô phỏng lưới điện theo thời gian thực để kiểm tra, thử nghiệm các thiết bị điện cũng như nghiên cứu các tác động lên hệ thống điện thực tế là rất cần thiết.
Mô hình mô phỏng lưới điện để thử nghiệm chỉnh định Relay bảo vệ
Việc thí nghiệm hiệu chỉnh hệ thống bảo vệ Relay trước đây được thực hiện qua các thiết bị thí nghiệm hợp bộ với chức năng tạo tín hiệu dòng áp mô phỏng để đánh giá đáp ứng của các thiết bị Relay đơn lẻ. Với giải pháp HIL, thiết bị Relay được tích hợp vào hệ thống mô phỏng, kết hợp với mô hình lưới điện mô phỏng được xây dựng trên HYPERSIM cho phép tính toán phân tích hệ thống theo thời gian thực. Giải pháp cho phép đánh giá tính chính xác của các giá trị cài đặt và chức năng hoạt động của thiết bị Relay, so sánh một cách trực quan giá trị tính toán từ chương trình và giá trị thực trên thiết bị Relay cần đánh giá. Bên cạnh đó, giải pháp còn cho phép đánh giá khả năng phối hợp của nhiều thiết bị Relay trên cùng một lưới điện, đây là một yêu cầu quan trọng trong việc phân tích ổn định của hệ thống theo thời gian thực.
Mô phỏng phân tích hoạt động của hệ thống tự động hoá lưới điện phân phối DAS
Hệ thống tự động hóa lưới phân phối (DAS – Distribution Automatic System) là một thành phần quan trọng trong mô hình lưới điện thông minh (Smart Grid) góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Với chức năng FLISR (Fault Location, Isolation and Service Restoration), hệ thống DAS có khả năng phát hiện nhanh, định vị chính xác vị trí sự cố trước khi thực hiện những phân tích, tính toán đề xuất các phương án cô lập sự cố cũng như các phương án khôi phục cấp điện trở lại cho những phụ tải không bị ảnh hưởng với thời gian xử lý nhanh, giảm thiểu tối đa lượng công suất điện bị mất hoặc số khách hàng mất điện. Tuy nhiên khi triển khai thực tế cho từng vùng lưới điện, việc đảm bảo tính chính xác và tin cậy của hệ thống DAS là rất khó khăn và đòi hỏi phải được kiểm thử một cách kỹ lưỡng. Giải pháp mô phỏng sử dụng trên chức năng giả lập của hệ thống DAS cơ bản chỉ đánh đánh giá được thuật toán của chương trình, chưa theo dõi đáp ứng của hệ thống theo thời gian thực. Trong khi đó giải pháp giả lập sự cố thật diễn ra trên lưới điện để đánh giá phản ứng của hệ thống trong thực tế rất phức tạp tiềm ẩn các nguy cơ hư hỏng thiết bị.
Áp dụng giải pháp HIL, mô hình mô phỏng lưới điện cần đánh giá sẽ được xây dựng trên phần mềm HYPERSIM với đầy đủ thiết bị và thông số của hệ thống. Thiết bị mô phỏng Opal-RT xử lý tín hiệu theo thời gian thực được kết nối với hệ thống SCADA/DAS/DMS thông qua giao thức truyền thông IEC60870-5-104. Để thử nghiệm, các kịch bản sự cố được giả lập trên phần mềm HYPERSIM, ứng với các tình huống sự cố, đáp ứng tín hiệu của các thiết bị giả lập trên chương trình sẽ được gửi lên hệ thống SCADA/DAS như các tín hiệu từ đối tượng thực. Ứng dụng FILSR sẽ kích hoạt, phân tích định vị sự cố cố và gửi lệnh tuần tự để thực hiện chu trình khôi phục lưới điện đến mô hình mô phỏng. Giải pháp mô phỏng này sẽ cho phép phân tích và đánh giá đầy đủ khả năng đáp ứng của hệ thống từ thuật toán đến điều kiện vận hành thực tế, làm cơ sở cho quyết định đưa chức năng DAS vào vận hành trên lưới điện thực.
Mô hình mô phỏng lưới điện để phân tích hoạt động của hệ thống DAS
Ứng dụng công nghệ HIL để mô phỏng hệ thống điện theo thời gian thực là vấn khá mới và tương đối phức tạp. Tuy nhiên với mức độ phức tạp ngày càng cao của hệ thống điện, để đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng cung cấp điện cần thiết phải có các giải pháp mô phỏng phân tích đánh giá hệ thống theo thời gian thực để hỗ trợ các Công ty Điện lực trong việc vận hành lưới điện một cách an toàn, hiệu quả. Ứng dụng công nghệ HIL là một giải pháp cần được EVN và các đơn vị thành viên xem xét đầu tư để đáp ứng yêu cầu hiện đại hoá vận hành hệ thống điện hiện nay.
