Bài viết Giải pháp nâng cấp trạm biến áp truyền thống thành trạm biến áp kỹ thuật số trên nền tảng tiêu chuẩn IEC 61850 đề xuất giải pháp nâng cấp các hệ thống bảo vệ điều khiển truyền thống tại TBA 110kV ở Việt Nam thành TBA kỹ thuậtsố dựa trên nền tảng tiêu chuẩn IEC 61850.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 7, 2022 GIẢI PHÁP NÂNG CẤP TRẠM BIẾN ÁP TRUYỀN THỐNG THÀNH TRẠM BIẾN ÁP KỸ THUẬT SỐ TRÊN NỀN TẢNG TIÊU CHUẨN IEC 61850 THE SOLUTION TO UPGRADE TRADITIONAL SUBSTATIONS TO DIGITAL SUBSTATIONS BASED ON IEC 61850 STANDARD Hoàng Ngọc Hồi Quang1, Lê Tiến Dũng2* Cơng ty Điện lực Thừa Thiên Huế - Tổng công ty Điện lực miền Trung EVNCPC Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng *Tác giả liên hệ: ltdung@dut.udn.vn (Nhận bài: 17/2/2022; Chấp nhận đăng: 30/5/2022) Tóm tắt - Cơng nghệ điều khiển số xu hướng phát triển tất yếu hệ thống điều khiển đại Việc ứng dụng giải pháp tự động hoá trạm biến áp (TBA) tảng cơng nghệ số ngày hồn thiện đem lại độ ổn định tin cậy hệ thống truyền tải lượng Bài báo đề xuất giải pháp nâng cấp hệ thống bảo vệ điều khiển truyền thống TBA 110kV Việt Nam thành TBA kỹ thuật số dựa tảng tiêu chuẩn IEC 61850 Giải pháp áp dụng cụ thể cho dự án nâng cấp TBA 110kV Phú Bài Công ty Điện lực Thừa Thiên Huế Kết cho thấy, TBA sau nâng cấp có ưu điểm tốt cho phép thiết lập hệ thống bảo vệ điều khiển (BVĐK) tự động hoá sở liên kết qua mạng truyền thông hợp nhất, tín hiệu logic tương tự số hố gần thiết bị thứ, tín hiệu truyền nhận cách nhanh chóng tin cậy hệ thống mạng Abstract - Digital control technology is the inevitable development trend of modern control systems The application of substation automation (SA) solutions which are based on Digital Technology Platform brings stability and reliability in operating energy transmission systems This article proposes a solution to upgrade the traditional protection control systems at 110kV substations in Vietnam into digital substations based on the IEC 61850 standard This solution has been successfully applied to the Phu Bai 110kV substation upgrading project at Thua Thien Hue Power Company The results showed that, the upgraded substation has better advantages including the protection control system and automation are allowed to establish on the basis of links via unified communication network, logical and analog signals are digitized at once or near primary power devices, and signals are transmitted quickly and reliably in the networks Từ khóa - Tự động hố TBA; TBA kỹ thuật số; IEC 61850; GOOSE, Giá trị trích mẫu Key words - Substation Automation; Digital Substation; IEC 61850; GOOSE, Sample Value Đặt vấn đề Các giải pháp số hoá liệu thực giao tiếp truyền thông thiết bị tảng hệ thống thông tin hợp gặp vấn đề trở ngại không đảm bảo tương đồng (Interoperability) giao thức truyền thông dẫn đến hạn chế khả chia xử lý thông tin tập trung hệ thống Nhằm nâng cao khả tương thích hệ thống điều khiển TBA, giao thức truyền thông chuyên dụng cho ứng dụng điều khiển hệ thống lượng phát triển tảng công nghệ truyền thông tiên tiến theo tiêu chuẩn quốc tế IEC60870-5-101/103/104, DNP3; Modbus ASCI/RTU v.v Việc chuẩn hoá ứng dụng truyền thông giải vấn đề xử lý thông tin tập trung hệ thống điều khiển, nhiên giao thức truyền thông dừng lại quy định định dạng thông tin, nội dung thông tin cách thức truyền nhận Trên tảng mạng truyền thông Ethernet, từ năm 2003 tiêu chuẩn truyền thông quốc tế cho hệ thống tự động hoá trạm IEC 61850 đời Tiêu chuẩn IEC 61850 không đơn giao thức truyền thông Mà nữa, tiêu chuẩn IEC 61850 định nghĩa mơ hình hố đối tượng TBA, quy định cách thức tổ chức phân lớp thông tin, khai báo dịch vụ trừu tượng để mơ tả q trình trao đổi thông tin v.v Việc áp dụng tiêu chuẩn IEC 61850 tạo thay đổi chiến lược thiết kế hệ thống tự động hoá truyền thông TBA Trong năm gần công nghệ điều khiển số TBA công ty, trường đại học, viện nghiên cứu nước phát triển giới nghiên cứu, ứng dụng vào thực tiễn Các cơng trình nghiên cứu trước cơng bố điển hình như: Trong báo [1], Fu Qincui Jianyun Chen xây dựng tảng thí nghiệm cho trạm biến áp kỹ thuật số dựa IEC 61850 để tích hợp cơng nghệ tiên tiến tự động hóa trạm biến áp vào việc giảng dạy thí nghiệm trường đại học Trong tảng thử nghiệm, giao tiếp MMS (Manufacturing Message Specification) GOOSE (Generic Object-Oriented Substation Event) thiết bị điện tử thông minh (Intelligent Electronic Device - IED) TBA mô phần mềm IEDScout libIEC 61850, gói tin thu Wireshark ghi lại phân tích Antonio Riccardo [2] mơ tả quy trình bước sử dụng National Grid (Mỹ) để thiết kế kiến trúc, lựa chọn thành phần khác thử nghiệm hệ thống cho dự án trạm biến áp kỹ thuật số hoàn toàn Ở báo [3], Yuvaraj Nayak cộng trình bày kết nghiên cứu trường hợp hư hỏng khác mạng truyền thông tổng thể đề xuất đánh giá thực tế sơ đồ bảo vệ dựa IEC 61850 điều kiện hư hỏng chọn Bài báo xem xét yêu cầu độ tin cậy trạm biến áp kỹ thuật số liên quan đến tốc độ vận hành độ tin cậy Các thử nghiệm thực môi trường mô thời gian thực mà IED giao tiếp vật lý Bên cạnh Thua Thien Hue Power Company - Central Power Corporation EVNCPC (Hoang Ngoc Hoai Quang) The University of Danang - University of Science and Technology (Le Tien Dung) Hoàng Ngọc Hoài Quang, Lê Tiến Dũng đó, nghiên cứu gần tự động hóa trạm biến áp dựa tiêu chuẩn IEC 61850 Mohd Asim Aftab cộng tổng quan, đánh giá lại báo [4] Trong tài liệu [5], nghiên cứu tiêu chuẩn IEC 61850 trạm biến áp kỹ thuật số có giám sát tình trạng phần cứng theo thời gian thực cung cấp cho người đọc ý tưởng rõ ràng trạm biến áp dựa tiêu chuẩn IEC 61850 hoạt động chúng thời gian thực Các khái niệm số kết nghiên cứu TBA kỹ thuật số dựa tiêu chuẩn IEC 61850 giới thiệu tổng quan tài liệu [6, 7] Một nghiên cứu IEC 61850 Việt Nam, tác giả Đinh Thành Việt, Hồ Hy Vinh tài liệu [8] đề xuất ứng dụng tiêu chuẩn IEC 61850 giao thức truyền thông thay giao thức truyền thống hệ thống tự động hoá TBA Trong năm gần đây, tiêu chuẩn IEC 61850 Tập đoàn điện lực Việt nam (EVN) áp dụng để thiết lập hệ thống điều khiển cho TBA Tuy nhiên, thiếu nghiên cứu thấu đáo việc tích hợp hệ thống tự động hoá theo tiêu chuẩn IEC 61850 với hệ thống công nghệ hữu, nên đa phần hệ thống tập trung khai thác IEC 61850 giao thức truyền thông thông thường, chưa trọng đến việc thiết lập giải pháp tự động hoá mức độ đầy đủ theo tiêu chuẩn Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất giải pháp nâng cấp TBA 110kV theo cơng nghệ tích hợp truyền thống Việt Nam thành TBA kỹ thuật số dựa tảng tiêu chuẩn IEC 61850 Kết nghiên cứu áp dụng cụ thể cho dự án nâng cấp hệ thống bảo vệ điều khiển (BVĐK) TBA 110kV Phú Bài công ty Điện lực Thừa Thiên Huế để có sở phân tích đánh giá hiệu mang lại tương tự, việc thu thập liệu thực Process Level Các thiết bị tập trung thực thuật toán logic bảo vệ điều khiển, đưa định đóng/ mở/ khố thiết bị ghi nhận lưu trữ liệu vận hành thiết bị Đồng thời thiết bị mức ngăn thực giao tiếp trung gian qua mạng Ethernet hệ thống cấp trạm với cấp Process Bus Mức trạm (Station Level): Với công nghệ số liệu trao đổi mạng lớn hẳn SCADA truyền thống, cho phép nhiều thiết bị trạm trao đổi liệu đồng thời, hỗ trợ giao tiếp thiết bị mạng LAN, liên kết đến thiết bị Gateway thiết bị truyền thông mạng diện rộng WAN Các thiết bị mức trạm bao gồm RTU/Gateway, HMI trạm, máy tính kỹ thuật để truy cập quản lý thiết bị IED, liên kết đến thiết bị HMI từ xa hệ thống điều khiển khác Tổng quan mơ hình TBA kỹ thuật số theo tiêu chuẩn IEC 61850 2.1 Mơ hình truyền thông tổng quát Trên sở triển khai mô hình truyền thơng tổ chức phân cấp ứng dụng tự động hoá theo tiêu chuẩn IEC 61850, cấu trúc tổng quát TBA điều khiển số chia thành ba mức [9-11]: Mức trình (Process Level): Là cấp thực giao tiếp thiết bị thứ với hệ thống BVĐK Đối với TBA truyền thống, giao tiếp thực mạng cáp đồng nhị thứ Trong đó, tín hiệu trạng thái, lệnh điều khiển, tín hiệu đo lường gửi nhận qua hệ thống cáp điều khiển Đối với mơ hình TBA kỹ thuật số, tất tín hiệu số hoá trực tiếp thiết bị đo lường phi truyền thống (Non-Conventional Instrument Transformer - NCIT) qua thiết bị độc lập thực chức ghép nối tín hiệu Merging Unit (MU) Switchgear Control Unit (SCU), thiết bị lắp đặt tủ phối dây trời truyền nhận IEDs hệ thống mạng cáp quang cho phép cung cấp liệu thu thập cách đầy đủ xác so với cách thức thu thập tín hiệu từ mạch đấu dây cứng thơng thường Giao tiếp truyền thông Process Bus thực theo tiêu chuẩn IEC 61850-8-1 cho dịch vụ GOOSE, IEC 61850-9-2 LE cho giá trị mẫu đo lường (SV) Mức ngăn (Bay Level): Các thiết bị BVĐK mức ngăn (Relay, BCU) khơng cần thiết có đầu vào số Hình Mơ hình truyền thơng tổng thể TBA kỹ thuật số 2.2 Mơ hình liệu hệ thống Mơ hình liệu (Data Model) đối tượng tự động hoá tiêu chuẩn theo IEC 61850-7-4 [12], với mục đích tạo tương đồng mặt liệu truyền thông thiết bị từ nhà sản xuất khác Tiêu chuẩn tổ chức phân cấp theo công nghệ hướng đối tượng, định nghĩa chức tự động hóa trạm biến áp lớp node logic (Logical Nodes –LNs), thành phần để tạo lớp liệu (Data Class) trao đổi hệ thống Ví dụ, chức bảo vệ q dịng (PTOC) lấy thơng tin từ biến dịng (TCTR) chức điều khiển máy cắt (XCBR) Các lớp liệu bao gồm nhiều đối tượng liệu (Data Objects) phản ánh thuộc tính đối tượng Tiêu chuẩn IEC 61850-7-4 quy định hàng trăm Logical Node, bao gồm mơ hình, khối chức năng, giao diện truyền thơng thiết bị bảo vệ, điều khiển, đo lường kỹ thuật số, thiết bị thông tin thiết bị khác Việc xác định LNs thiết bị vật lý phụ thuộc vào khả thiết bị nhà sản xuất cung cấp Kèm theo định nghĩa LNs, tiêu chuẩn định nghĩa thiết bị logic (Logical Devices - LDs) thiết bị vật lý (Physical Devices – PDs) Mỗi thiết bị LDs tập hợp từ LNs hoạt động thiết bị vật lý cụ thể Thiết bị vật lý PDs bao gồm số thiết bị logic khác nhau, kèm theo thiết bị vật lý xác định địa mạng (Network address) cụ thể ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 7, 2022 Hình Mơ hình liệu tiêu chuẩn IEC 61850 Mơ hình liệu Relay minh hoạ Hình Thiết bị Relay1, XCBR2 LN định nghĩa chức điều khiển máy cắt, chứa đối tượng liệu (DO) bao gồm: Trạng thái (ST- Status) với biến IED:Relay1/XCSR2.ST.Pos phản ánh trạng thái máy cắt đối tượng điều khiển (CO Control) thực lệnh thay đổi vị trí (Pos) máy cắt qua biến biến IED:Relay1/XCSR2.CO.Pos; MMXU1 LN định nghĩa chức đo lường Relay, có đối tượng liệu (Data Object) MX phản ánh giá trị dòng điện (Amp) qua biến IED:Relay1/MMXU1.MX.A.PhA Hình Mơ hình thu thập xử lý liệu Mơ hình thu thập xử lý liệu TBA truyền thống TBA kỹ thuật số minh hoạ Hình Trong mơ hình liệu TBA truyền thống, LNs phục vụ cho việc thu thập xử lý liệu thành phần thiết bị vật lý (PD) Đối với TBA kỹ thuật số, mơ hình liệu thiết kế tách biệt chức thu thập với chức xử lý liệu, LNs thành phần PDs khác nhau, trao đổi liệu với qua Process Bus Với mơ hình ứng dụng tự động hoá BVĐK triển khai đơn giản linh hoạt hơn, điều kiện để hạn chế số lượng dây tín hiệu mạch đấu cứng phải triển khai mức trình Giải pháp nâng cấp hệ thống điều khiển TBA theo công nghệ kỹ thuật số Công nghệ TBA kỹ thuật số thực số hoá phần hệ thống mạch thứ cấp TBA cách thay mạch nhị thứ cáp đồng thiết bị thứ với hệ thống BVĐK mạng cáp truyền thơng Để thực số hố tín hiệu hệ thống BVĐK tự động hoá trạm, đảm bảo độ tin cậy trình trao đổi liệu hệ thống thông tin, giải pháp đề xuất nội dung cần thực để nâng cấp TBA theo mơ hình kỹ thuật số: 3.1 Thiết kế mơ hình liệu tự động hố trạm Mơ hình liệu tự động hoá trạm xây dựng sở sử dụng cơng cụ ngơn ngữ cấu hình trạm (Substation Configuration Language - SCL), ngôn ngữ có cấu trúc định dạng theo chuẩn XML, định nghĩa IEC 61850-6 Mục đích SCL thống cách mô tả liệu trao đổi hệ thống tự động hố TBA, qua trao đổi liệu thiết bị từ nhà sản xuất khác Các loại file SCL với đuôi mở rộng khác nhau, định nghĩa cụ thể cho việc trao đổi thông tin hệ thống đối tượng: - SSD (System Specification Description): Mô tả kỹ thuật hệ thống, định nghĩa thông tin sơ đồ sợi (SLD), cấp điện áp, thiết bị thứ nút chức (Logical Node) cần để thực chức trạm biến áp; - SCD (System Configuration Description): Mô tả cấu hình hệ thống, tạo từ tệp SSD, bổ sung thông tin bao gồm tất IEDs cấu hình, cấu hình truyền thơng tất khía cạnh IEC 61850 cho hệ thống - ICD (IED Capability Description): Mô tả chức loại IED Mỗi IED có file ICD liên quan đến nó, bao gồm LNs, liệu dịch vụ hỗ trợ kèm theo - CID (Configured IED Description): Mơ tả IED cấu hình, bao gồm tập hợp file SCD với tất thông tin liên quan đến IED.3 - IID (Instantiated IED Description): Mô tả IED cấu hình trước cho dự án tệp SED (System Exchange Description) mô tả việc trao đổi liệu IED hệ thống khác Sử dụng cơng cụ cấu hình hệ thống (System Configuration Tool - SCT) kết hợp công cụ thiết lập thông số cho IED (IED Specification Tool), hai cơng cụ thiết yếu để xây dựng cấu hình hệ thống tự động hoá trạm Các kỹ sư thiết kế định nghĩa cấu hình hệ thống thiết lập luồng trao đổi liệu toàn hệ thống Hiện nay, phần mềm SCT phổ biến IET600 (ABB), SCL Manager (ASE), tích hợp sẳn Digsi5 Siemens hồn thiện tính tương thích với nhà sản xuất khác theo chuẩn IEC 61850-6 Lưu đồ q trình thiết lập mơ hình liệu cấu hình trạm theo giao thức IEC 61850 mơ tả theo Hình Các thơng tin mơ tả đặc tính kỹ thuật hệ thống từ tệp SSD tệp ICD mô tả khả thiết bị IED nhập vào SCT Cơng cụ cho phép cấu hình tính liên quan đến IEC 61850 IEDs, cấu hình liên kết truyền thơng theo liên kết ngang cho tin GOOSE, SV thiết lập cấu hình liên kết truyền thơng theo chiều dọc với hệ thống máy tính Thơng qua việc sử dụng liệu từ tệp SSD, kỹ sư liên kết chức IEDs (LNs) với thiết bị khác để phối hợp thực chức sơ đồ sợi Cuối cùng, công cụ SCT văn hóa tồn thơng tin hệ thống xuất file SCD để đồng cho hệ thống SCADA hồn thiện tệp cấu hình thiết bị CID để đồng lên cấu hình thiết bị IED Hoàng Ngọc Hoài Quang, Lê Tiến Dũng thời gian phục hồi trình truyền nhận tin sau gặp lỗi phải tối thiểu lý tưởng không Bảng Thời gian phục hồi cho phép theo IEC 61850 Loại đối tác truyền thông Các loại dịch vụ IEC 61850 Thời gian trể phục hồi chấp nhận Từ SCADA đến IED MMS/ IEC61850-8-1 800 ms Liên động GOOSE/ 12 ms IED IEC61850-8-1 (với Tmin = 4ms) Hình Lưu đồ thiết kế mơ hình liệu TBA 3.2 Thiết lập cấu hình kết nối đầu cuối ảo (Virtual Terminal Connection Configuration) Công nghệ kỹ thuật số làm thay đổi mơ hình thiết kế hệ thống bảo vệ điều khiển TBA truyền thống Thay cho việc tập trung thiết kế liên kết tín hiệu mạch nhị thứ truyền thống, kỹ sư phải thực thiết lập cấu hình, xây dựng thuật tốn logic liên kết tín hiệu cho khối ứng dụng (Application Block) IEDs Trong thiết kế cấu hình hệ thống BVĐK số cần phải thức kết nối đầu cuối ảo cho IED, quy trình tương tự cách thức xây dựng bảng danh sách đấu dây (Terminal Connection List) thiết kế hệ thống mạch nhị thứ Thiết kế đấu nối đầu cuối ảo phải xác định cổng vật lý thiết bị sơ đồ luồng thơng tin tín hiệu GOOSE/SV, khối chức nhận xuất tín hiệu thiết bị Đây phần cốt lõi cơng việc cấu hình, địi hỏi kỹ sư cấu hình phải có kiến thức mạch nhị thứ TBA khối chức thiết bị IEDs theo công bố đặc điểm kỹ thuật nhà sản xuất Ví dụ qua Bảng đề xuất cách thức thiết lập kết nối đầu cuối ảo cho tín hiệu trích mẫu đo lường Goose SV ngăn 171 từ MU đến Relay bảo vệ khoảng cách so lệch Bảng Bảng thiết lập kết nối ảo tín hiệu Goose, SV 3.3 Thiết kế mơ hình truyền thơng hiệu cao cho TBA kỹ thuật số Đối với TBA kỹ thuật số, hiệu suất tính khả dụng hệ thống bảo vệ điều khiển phụ thuộc hoàn toàn vào phương thức truyền nhận liệu thiết bị Do đó, hệ thống yêu cầu mạng truyền thơng phải có độ tin cậy tính sẵn sàng cao Để đáp ứng yêu cầu đó, mạng truyền thông hệ thống điều khiển phải hoạt động ổn định thiết bị đơn lẻ điểm mạng cáp liên kết bị hư hỏng Việc tính tốn để bỏ qua điểm cố hay phần tử lỗi mạng có yêu cầu Thời gian phục hồi truyền thông yêu cầu 400 ms ms Khoá bảo vệ cấp hai IED GOOSE/ IEC61850-8-1 12 ms (với Tmin = 4ms) ms T/h cắt bảo vệ (ngoại trừ bảo vệ cái) GOOSE/ IEC61850-8-1 ms ms Bảo vệ (F87B) GOOSE/ IEC618509-2 (trên station bus) < ms đến ms Giá trị trích mẫu đo lường (SMV) SV/ IEC61850-9-2 (trên Process bus) Nhỏ hai mẫu liên tiếp đến ms Bảng đề cập đến yêu cầu thời gian phục hồi cho phép ứng dụng khác hệ thống BVĐK TBA theo tiêu chuẩn IEC 61850 Ví dụ, thời gian yêu cầu phục hồi với mạng SCADA 400ms – 800ms; Với ứng dụng liên động (Interlocking) lớp mạng theo tiêu chuẩn IEC 61850-81, thời gian phục hồi ứng dụng yêu cầu từ 4ms-12ms; Các mẫu tin đo lường SV lớp Process Bus truyền nhận với yêu cầu độ trễ phục hồi mong muốn đạt đến 0s Giải vấn đề độ trễ thời gian hệ thống mạng, tiêu chuẩn IEC 61850-90-4 yêu cầu tham chiếu tiêu chuẩn IEC 62439-3 định nghĩa giao thức dự phòng song song Parallel Redundancy Protocol (PRP) giao thức dự phòng khả liền mạch cao High-Availability Seamless Redundancy (HSR) Cả hai giao thức xây dựng với mục tiêu đưa thời gian phục hồi “0” không để liệu Đây tiêu chuẩn để đảm bảo gói tin Goose SV (Sample Value) không bị trễ thơng tin q trình truyền nhận Để xác định mơ hình mạng có tính khả dụng cao (High Availability Network) cho hệ thống bảo vệ điều khiển, việc chọn lựa mơ hình PRP HSR cần phải hiểu rõ cấu trúc phương thức hoạt động hai mơ hình Mơ hình mạng theo giao thức PRP: Cấu hình mạng theo giao thức PRP mơ tả Hình 5, thiết bị nối vào hai mạng LAN độc lập Các gói tin gửi nhân đơi cho hai mạng Các thiết bị nhận kết nối với mạng chấp nhận tin tới trước huỷ tin tới sau Trường hợp mạng bị lỗi, gói tin chép tới mạng thứ Cấu trúc mạng PRP gồm nhiều đường dẫn đồng thời, đường dẫn phải thiết lập từ hai mạng LAN độc lập Các mạng LAN sử dụng thiết bị chuyển mạch Ethernet tiêu chuẩn, không cần thiết bị chuyển mạch định tuyến Nguyên lý hoạt động mơ hình mạng theo giao thức PRP mô tả sau: Một thiết bị nguồn xuất phát từ nút liên kết đơn SAN (Single Attached Node) xuất tin theo khung C, sau thiết bị RebBox (Redundant Box) chép thành khung tin, phân phối LAN A thành khung PRP “A”, phân phối LAN B thành khung PRP “B” Thiết bị DANP (Double Attached Node PRP) điểm nút liên kết đôi thực PRP, gồm hai cổng kết nối mạng A, B, có chức hoạt động mạng LAN kết nối DANP kết nối với đồng thời hai mạng LAN nhận khung chứa tin đến trước loại ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 7, 2022 bỏ khung tin đến sau, kết đầu tin khung “D” Trường hợp mạng bị cố, khung tin mạng lại thiết bị DANP nhận xử lý bình thường Mơ hình mạng phối hợp chuẩn HSR PRP: Cấu hình mạng phối hợp liên kết vịng HSR PRP mơ tả theo Hình 7, mơ hình sử dụng phổ biến trường hợp cần tối ưu số lượng thiết bị mạng đảm bảo tính dự phịng liền mạch cao Hình Mơ hình mạng theo giao thức PRP Hình Mơ hình vịng HSR kết hợp với mạng PRP Hình Mơ hình mạng theo giao thức HSR Mơ hình mạng theo giao thức HSR: Cấu hình mạng giao thức HSR mơ tả theo Hình 6, thiết bị kết nối cấu trúc liên kết vịng, khơng có chuyển mạch Mọi tin từ thiết bị phát nhân đôi xuất theo hai hướng Các thiết bị đăng ký nhận chấp nhận tin tới trước huỷ tin tới sau Nếu liên kết mạng bị lỗi, gói tin theo hướng khác vịng để đến thiết bị nhận Khác với PRP, cấu trúc HSR sử dụng mơ hình mạng vịng, thiết bị nguồn (Source) xuất đồng thời tin theo khung A, khung B theo hai hướng Thiết bị đích (Destination) nhận tin giống hai khung sau khoảng thời gian định, thiết bị đích sử dụng tin khung loại bỏ tin khung đến sau Nếu liên kết mạng bị gián đoạn, thiết bị nhận tin khung sử dụng tin Các điểm nút thiết bị có chức làm cầu nối hai chiều (DANH - Double Attached Node HSR) có số lượng lớn, chênh lệch thời gian tiếp nhận tin khung khơng đáng kể, đảm bảo yêu cầu thời gian khôi phục Các điểm nút hỗ trợ chức cầu nối theo tiêu chuẩn IEEE 802.1d chuyển tiếp khung chứa tin từ cổng sang cổng khác Để đảm bảo lưu lượng liệu liên tục, thiết bị DANH khơng chuyển tiếp khung tin mà tạo Theo cầu hình này, có tối thiểu hai thiết bị RedBox (Redundancy Box) chịu trách nhiệm liên kết hai mạng PRP HSR, liệu từ nguồn (Source) mạng PRP đến điểm DANH (Double Attached Node HSR) mạng HSR với thời gian phục hồi khơng Vì vậy, việc định hình lưu lượng thực cách giới hạn kích thước vịng HSR lưu lượng tiêu chuẩn mạng PRP Từ phân tích trên, việc lựa chọn mơ hình mạng LAN đáp ứng u cầu khả dụng cao theo giao thức PRP HSR phối hợp PRP+HSR phụ thuộc vào kích thước, số lượng thiết bị độ phức tạp mạng Đối với TBA có quy mơ nhỏ, cần kết cấu mạng đơn giản có chi phí đầu tư thấp, khơng địi hỏi cao tính sản sàng, áp dụng mơ hình HSR Tuy nhiên, độ tin cậy khả sẵn sàng mơ hình HSR ảnh hưởng thiết bị mạch vòng bị hư hỏng, dẫn đến phá vỡ hoàn toàn cấu trúc HSR Với mơ hình PRP phù hợp với trạm truyền tải trạm có cấu trúc phức tạp, có u cầu độ tin cậy tính sẵn sàng cao, nhiên chi phí lớn, ảnh hưởng đến hiệu đầu tư Nâng cao hiệu hệ thống mạng giải pháp thiết lập VLAN: Có nhiều tin Goose, SV quảng bá đa hướng (multicast) qua cổng Process Bus, không quản lý cách dẫn đến giảm hiệu hệ thống mạng LAN Do đó, cần phải thiết kế kiến trúc mạng cho lưu lượng truy cập giới hạn cổng mà tin dự định qua IEC 61850-90-4 khuyến nghị thực cấu hình VLAN, gắn thể (tagging) thiết lập mức ưu tiên (priority) theo tiêu chuẩn IEEE 802.1Q để đạt chất lượng (QoS) truyền nhận liệu Process Bus Phân tách VLAN cho phép tạo lớp mạng (subnet) mạng LAN vật lý Hình minh hoạ giải pháp tách VLAN cho ứng dụng mạng Process Bus Các gói tin multicast VLAN, phân chia toàn mạng LAN cách hợp lý đảm bảo tín hiệu từ thiết bị phát đến thiết bị nhận ưu tiên điểm cổng mạng mà tin cần đến Các VLAN thiết kế dựa mức độ ưu tiên yêu cầu bảo mật VLAN kiểm soát Access Control List (ACL) Để thiết Hoàng Ngọc Hoài Quang, Lê Tiến Dũng kế VLAN, hệ thống mạng LAN cần sử dụng Switch Layer 2/3 hỗ trợ IEC802.2Q VLAN Trunk Hình Phân tách VLAN Process Bus 3.4 Giải pháp đồng thời gian xác cao Trong mơ hình TBA kỹ thuật số, chức thu thập liệu tách khỏi thiết bị bảo vệ điều khiển (Relay, BCU), điều dẫn đến yêu cầu phải thực đồng thời gian truy vấn liệu thiết bị Ví dụ chức bảo vệ sử dụng mẫu dịng điện điện áp từ thiết bị khác nhau, kết phép đo có sai số nên giá trị đo khơng đồng hố mốc thời gian Do đó, đồng hố thời gian thiết bị Process Bus yêu cầu quan trọng trình tự thiết kế hệ thống điều khiển số Đồng theo thời gian thực yêu cầu hệ thống BVĐK Các thiết bị đồng hồ vệ tinh (GPS Clock) có khả nhận tín hiệu đồng thời từ hệ thống GPS, GLONASS để cải thiện độ xác tín hiệu đồng Trong mơ hình TBA điều khiển tích hợp, thiết bị GPS Clock cung cấp kênh đồng thời gian mạng Ethernet qua giao thức SNTP cho thiết bị hệ thống SCADA IEDs bảo vệ điều khiển Việc đồng thời gian thiết bị cấp xác đến 1ms giúp nâng cao khả đánh giá phân tích bảng ghi kiện mốc thời gian Tuy nhiên, với yêu cầu xử lý liệu đo lường bảo vệ theo thời gian thực mạng Process Bus TBA, tiêu chuẩn IEC 61850-9-3 yêu cầu áp dụng giao thức đồng thời gian xác PTP theo tiêu chuẩn IEEE 1588v2 qua khuyến nghị IEEE C37.238-2011 Thời gian đồng hệ thống bảo vệ điều khiển TBA quy định theo Bảng Theo tiêu chuẩn IEEE C37.118.1-2011 - tiêu chuẩn cho đồng pha đo lường cho cho hệ thống điện, hệ thống đồng pha đo lường (Synchrophasor Measurements) lỗi pha có giá trị 0,57 độ (0.01 radian) nguyên nhân gây 1% Total Vector Error (TVE), điều tương ứng với lỗi thời gian ± 26μs cho hệ thống có tần số 60Hz ± 31μs cho hệ thống 50Hz Khuyến cáo IEEE cần nguồn đồng thời gian đáng tin cậy cung cấp thời gian, tần số, ổn định tần số tốt 10 lần so với giá trị tương ứng với 1% TVE, có nghĩa ± 2,6μs với hệ thống 60Hz ± 3,1μs với 50Hz Bảng Yêu cầu đáp ứng thời gian thiết bị Thiết bị Rơ le bảo vệ SCU MU RTU/Gateway HMI Phương thức đồng thời gian IEEE 1588 v2 (PTP) sai số 1s IEEE 1588 v2 (PTP) sai số 1s 1PPS (Pulse Per Second) sai số 1s SNTP: sai số - 10ms SNTP: sai số - 10ms Giải pháp đồng theo giao thức IRIG-B đạt sai số tối đa 100μs, giao thức SNTP sử dụng kiến trúc Client/Server, sai số phụ thuộc nhiều vào kiến trúc mạng, thông thường sai số mạng LAN nội TBA chấp nhận mức 1-3ms Thông số đồng thời gian trên, IRIG-B SNTP không đạt yêu cầu mà IEEE C37.118.1-2011 đề ra, lý mà chuẩn IEEE 1588v2 với sai số mức 100ns đến 1μs (tùy kiến trúc, sơ đồ mạng giải pháp kỹ thuật hãng) khuyến cáo sử dụng cho hệ thống sử dụng phương thức đồng pha đo lường mạng Process Bus Hình Mơ hình đồng dự phịng GPS Clock Với tầm quan trọng chức đồng thời gian xác cao, hệ thống bảo vệ TBA số thường yêu cầu thiết kế dự phòng cho kênh đồng thời gian mạng Process Bus 02 thiết bị GPS Clock hoạt động độc lập lớp mạng Các thiết bị Switch mạng Process Bus phải đáp ứng: Cấu hình Layer 2, cho phép sử dụng địa Multicast cho gói tin đồng bộ, sai số thiết bị tham chiếu < 200ns, sai số tổng toàn hệ thống mức