Nghiên ứu khả năng ứng dụng hệ thống scada cho lưới điện 110kv trên địa bàn hà tây

89 Trang 6 5.2.2 Hệ thống viễn thông 925.2.3 Giao thức viễn thông 935.3 Các giải pháp kỹ thuật thiết kế hệ thống SCADA 935.3.1 Thiết kế thiết bị đầu cuối RTU Remote Terminal Unit 935.3.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: M ẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

MÃ SỐ:

Người hướng dẫn khoa học: VS.GS.TSKHTRẦN ĐÌNH LONG

HÀ NỘI - 200 8

Luận văn được tác giả bắt đầu thực hiện từ khi chính thức được nhận đề tài Ngoài ra, trước khi đăng ký và nhận đề tài, tác giả cũng đã có một thời gian thu thập tài liệu từ nhiều nguồn khác nhau: sách, tạp chí, Internet, các tài liệu kỹ thuật của các đơn vị trong và ngoài tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN)

Với những kết quả đạt được của luận văn, tác giả xin cam đoan đây là sản phẩm do chính tác giả thực hiện và hoàn thành

Tác giả

Lời cam đoan ix

Mục lục ix

Danh mục các thuật ngữ ix

Danh mục các bảng ix

Danh mục các hình vẽ ix

MỞ ĐẦU ix CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

1.1.1 Đáp ứng nhu cầu thông tin vận hành cho các trung tâm điều độ 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ĐỂ XÂY DỰNG HỆ

2.1.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp 29

2.1.3 Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn 30 2.1.4 Truyền tải dải cơ sở,dải mang và dải rộng 31

2.2.2.Cấu trúc mạch vòng 36

2.3 Các tiêu chuẩn thông tin trong hệ thống điện 39

3.3 Các hệ thống quản lý mạng (Network Manager) 55

3.3.4 Hệ thống tự động phân phối DA (Distribution Automation) 583.4 Phần cứng trung tâm (Master Station Hardware) 61

3.4.3 Thiết bị tiền xử lý (Front-end processor) 63

3.5 Thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) 64

3.6.2 Kênh thông tin liên lạc 71

3.7.1 Chức năng thu nhập dữ liệu ( Data acquisition) 743.7.2 Chức năng chỉ thị trạng thái (Status indications) 75

3.7.4 Chức năng giám sát và báo cáo (Monitoring and event reporting) 77

CHƯƠNG 4: HIỆN TRẠNG TRANG THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG, BẢO VỆ,

TỰ ĐỘNG HOÁ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG LƯỚI ĐIỆN 110kV HÀ TÂY

814.1 Giới thiệu chung về lưới điện 110kV Hà Tây 81

4.1.2 Thực trạng các trạm biến áp 110kV khu vực Hà Tây 814.1.3 Các tuyến đường dây 110kV khu vực Hà Tây 824.2 Hiện trạng trang thiết bị đo lường, bảo vệ, tự động hoá và điều khiển

4.2.3 Hiện trạng trang thiết bị tự động hoá và điều khiển 87

5.2.2 Hệ thống viễn thông 92

5.3 Các giải pháp kỹ thuật thiết kế hệ thống SCADA 935.3.1 Thiết kế thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) 93

Phụ lục ix

DA Distri bution Automation Hệ thống tự động phân phối

DC District Control Center Trung tâm điều khiển cấp điện lực DMS Distribution Management System Hệ thống quản lý phân phối

EMS Energy Management System Hệ thống quản lý năng lượng GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

HMI Human Machine Interface Giao diện người máy

I&C Instrumentation and Control Thiết ị đ b o và i đ ều khiển

ICCP Inter Control Center Communication - Giao thức truyền thô ng giữa c ác

IEDs Intelligent Electronic Devices Thiết bị điện tử thông minh

ISO International Organization for Tổ chức quốc tế về ê ti u chuẩn á ho

Standardization

LAN Local Area Network Mạng nội bộ

NC National Control Center Trung tâm điều khiển cấp quốc gia PLC Power Line Carrier Tải ba

RC Regional Control Center Trung tâm điều khiển cấp miền RTU Remote Terminal Units Thiết bị đầu cuối

SAS Substation Automation System Hệ thống tự động hóa trạm biến áp

SCADA Supervisory Control And Hệ thống giám sát điều khiển và

Data Acquisition thu thập dữ liệu

SOE Sequence Of Event Chuỗi sự kiện

STP Shielded Twisted Pair Cáp đôi dây xoắn có bọc kim TCP/IP Transmission Control Protocol Giao thức kiểm soát truyền thô ng

/Internet Protocol và Internet

UHF Ultra High Frequency Dải tần số cực cao

UTP Unshielded Twisted Pair Cáp đôi dây xoắn không bọc kim VHF Very High Frequency Dải tần số cao

Bảng 1.1 Địa chỉ các trạm điện và trung tâm điều độ có kênh Hotline với

Bảng 1.3 Địa chỉ và số điện thoại các kênh giả trực thông nối với trung

tâm điều độ A0, A1

4

Bảng 1.4 Một số thông số của các loại cáp quang 11 Bảng 1.5 So sánh các phương tiện vô tuyến 19 Bảng 4.1 Các trạm biến áp 110kV trên địa bàn Hà Tây 82 Bảng 4.2 Danh sách các tuyến đường dây 110kV cấp điện cho khu vực Hà

Tây

83

Bảng 4.5 Các loại thông tin về tín hiệu điều khiển 87 Bảng 4.6 Các loại thông tin liên lạc đến các trạm 110kV 87 Bảng 5.1 Dự tính số lượng đầu vào đầu ra của RTU tại các trạm 98

Hình 1.1 Cấu trúc sợi cáp quang 9 Hình 1.2 Nguyên lý phản xạ toàn phần của ánh sáng 10 Hình 1.3 Đường đi của tia sáng và biến thiên chiết suất của các loại cáp

quang

10

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang 12 Hình 1.5 Tuyến quang Phả Lại 2- Phả Lại 1 13 Hình 1.6 Tuyến quang Trạm 500kV Hoà Bình Thủy điện Hòa Bình – -

Điện lực Hòa Bình

13

Hình 1.7 Một ví dụ về các kênh thông tin vô tuyến trong HTĐ 14 Hình 1.8 Cấu trúc cơ bản kênh truyền dẫn Viba số 16 Hình 1.9 Tuyến Viba trạm 110kV Phủ Lý trạm 110kV Lý Nhân - 17 Hình 1.10 Tuyến Viba Điện lực Hải Phòng trạm Thủy Nguyên - 18

Hình 1.12 Tuyến PLC Ninh Bình- Nam Định và Nam Định- Mỹ Xá 23 Hình 1.13 Cáp đôi dây xoắn kiểu STP và UTP 24

Hình 3.1 Chu trình đo lường, thông tin, vận hành hệ thống điện 52

Hình 3.12 Hệ thống SCADA bao gồm các RTU kết nối kiểu điểm- nhiều

điểm (multi- drop)

70

Hình 3.13 Một số kênh liên lac trong hệ thống SCADA 72

Hình 3.17 Cơ sở phục vụ dữ liệu tính toán 77 Hình 5 .1 Cấu trúc đ ển hình của m i ột rack của RTU 92 Hình 5 .2 Sơ đồ t chức c kê ổ ác nh truyền dẫn SCADA 107 Hình 5.3 Cấu h ình ph cứng ần trung t m hệ thống SCADA Trung tâm điều â

độ B1

109

MỞ ĐẦU

1.Thực trạng hệ thống thông tin điện l ực và lý do chọn đề tài

Quá trình sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng của hệ thống điện Việt Nam (cũng như trên toàn thế giới) được phân bố rất rộng khắp về mặt địa

lý Do đó để có thể vận hành an toàn, ổn định và kinh tế thì một phần không thể thiếu được là thông tin và trao đổi thông tin

Lưới điện 110kV Hà Tây có một tầm quan trọng đặc biệt trong nhiều lĩnh vực như chính trị, an ninh, kinh tế…khi Tỉnh Hà Tây hợp nhất với Hà Nội Tuy nhiên cơ sở vật chất và các phương tiện phục vụ cho việc điều hành hiện nay còn khá khiêm tốn Việc tiếp nhận, phân tích xử lý cũng như lưu trữ thông tin dữ liệu cho đến nay vẫn được tiến hành chủ yếu bằng tay và tương đối thụ động, vì các thông tin cần thiết về lưới điện chỉ được thu thập khi có một yêu cầu cụ thể nào đó (ví dụ khi xảy ra sự cố) và việc cập nhật cũng chưa được diễn ra thường xuyên và có hệ thống Khi mà lưới điện Hà Nội (mới) sẽ ngày càng tăng trưởng về số lượng các phụ tải, các trạm biến áp cũng như đường dây và các thiết bị điện khác, lượng thông tin cần thiết phục vụ cho việc vận hành do đó cũng sẽ tăng theo Nếu vẫn chỉ áp dụng các phương pháp điều hành cũ, phương tiện thông tin liên lạc cũ chắc chắn các kỹ sư điều hành

sẽ gặp phải khó khăn khi phải xử lý một lượng thông tin lớn và phức tạp như vậy Đây chính là lý do cho việc tìm hiểu và nghiên cứu xây dựng một hệ thống SCADA cho lưới điện 110kV Hà Tây Trên thực tế, SCADA không còn

là một công nghệ quá mới trên thế giới Nó đã được ra đời và áp dụng từ khá lâu không chỉ trong hệ thống điện mà còn ở nhiều lĩnh vực khác nữa như công nghiệp khai thác dầu khí, hầm mỏ, hay các hệ thống cấp nước, giao thông…Những khái niệm và cách thức hoạt động của một hệ thống SCADA thì không còn mới, nhưng những công nghệ áp dụng cho các thành phần cấu thành hệ thống thì vẫn liên tục được cập nhật và đổi mới Ngày càng có nhiều

thế hệ thiết bị với nhiều tính năng ưu việt ra đời cả về phần cứng, giải pháp phần mềm hay chuẩn thông tin liên lạc để phục vụ cho SCADA Chính vì vậy, việc thiết kế và xây dựng một hệ thống SCADA (với những thiết bị có phiên bản mới nhất phù hợp với yêu cầu) cho lưới điện 110kV Hà Tây là hoàn toàn hợp lý và hiện thực Một lý do nữa cho thấy việc lựa chọn này là có cơ

sở thực tế đó là việc các Trung tâm điều độ điện lực TP Hà Nội đã áp dụng thành công hệ thống SCADA cho công tác điều hành hệ thống điện thuộc quyền quản lý của mình

Những thực trạng trên đây của hệ thống đo lường, bảo vệ, tự động hóa

và điều khiển trong lưới điện 110kV Hà Tây và thực tế của việc xây dựng mô hình SCADA phục vụ cho thông tin đo lường và điều khiển hệ thống điện cũng chính là lý do chọn đề tài cho bản luận văn này

2.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu cơ bản của luận văn này là tìm hiểu và nghiên cứu về SCADA

áp dụng trong hệ thống điện từ đó dẫn đến việc đề xuất giải pháp kỹ thuật xây dựng hệ thống SCADA cho lưới 110kV Hà Tây

Để có được bất kì một hệ thống nào hoàn chỉnh cũng đều phải có nhiều khâu, nhiều bộ phận, nhiều quá trình cấu thành Hệ thống SCADA không nằm ngoài qui luật đó Chính vì vậy, luận văn cũng đề cập và tìm hiểu tới các thành phần, các yếu tố có liên quan trực tiếp đến một hệ thống thông tin trong

hệ thống điện, cụ thể ở đây là hệ thống SCADA, với mục đích có được một cái nhìn đầy đủ và toàn diện hơn

Tất nhiên do khuôn khổ có hạn nên với mục tiêu đã đề ra một số phần được trình bày và nghiên cứu trong bản luận văn dưới đây chỉ dừng ở mức độ chi tiết nhất định

Người viết cũng h vọng qua bản luận văn này y sẽ tìm hiểu và nắm bắt

với kết quả từ việc thiết kế, xây dựng hệ thống SCADA sẽ có thêm những kiến thức mới, cái nhìn mới trong việc tiếp cận với hệ thống điện trong tương lai

3.Bố cục của luận văn

Để thực hiện mục đích nghiên cứu như đã trình bày ở trên, bản luận văn này được trình bày trong 5 chương chính và một phần phụ lục Nội dung cụ thể của mỗi phần này là:

Chương 1: "Những vấn đề chung về hệ thống thông tin điện lực và ứng dụng

ở HTĐ VN" Phần đầu của chương sẽ trình bày về tầm quan trọng của hệ thống thông tin trong quá trình vận hành hệ thống điện Phần sau dành cho việc tìm hiểu các thành phần cấu thành nên một hệ thống thông tin trong hệ thống điện Đó là môi trường truyền dẫn như các loại cáp điện, cáp quang, tải

ba PLC hay sóng vô tuyến

Chương 2: " Cơ sở kỹ thuật truyền thông để xây dựng hệ điều khiển" trình bày về những khái niệm cơ bản về truyền thông Chương này cũng tìm hiểu

về giao thức và các chuẩn thông tin liên lạc dùng trong Hệ thống điện

Chương 3: "SCADA và các ứng dụng quản lý điều khiển trong Hệ thống điện" tập trung tìm hiểu về các hệ thống quản lý Hệ thống điện Trong đó, phần chủ yếu dành để tìm hiểu về cấu trúc và hoạt động của một hệ thống giám sát điều khiển và thu nhập dữ liệu SCADA

Chương 4: "Hiện trạng trang thiết bị đo lường, bảo vệ, tự động hóa và điều khiển trong lưới điện 110kV Hà Tây " Chương này cũng nêu ra thực trạng và nhu cầu của việc xây dựng hệ thống SCADA cho lưới điện 110kV khu vực

Hà Tây

Chương 5: "Đề xuất giải pháp kỹ thuật thiết kế hệ thống SCADA cho lưới điện 110kV trên địa bàn Hà Tây" Toàn bộ chương này dành cho việc đề xuất giải pháp kỹ thuật thiết kế một hệ thống SCADA cho lưới điện 110kV Bao

gồm phần cứng, phần mềm, hệ thống thông tin liên lạc, thiết bị đầu cuối RTU tại trạm và các thiết bị phụ trợ cần thiết khác

Phụ lục: "Danh sách các tín hiệu cần lấy cho trạm biến áp 110kV Xuân Mai"

CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

ĐIỆN LỰC VÀ ỨNG DỤNG Ở HTĐ VN

1.1 Vai trò của hệ thống thông tin điện lực

Hệ thống điện là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối, các thiết bị đo lường, giám sát, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện

Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp với một số đặc điểm cơ bản:

• Nhiều phần tử ghép nối với nhau tạo thành một hệ thống lớn và có kết cấu rất phức tạp

• Chiếmmột phạmvi lãnh thổ rộng khắp cả nước

• Có ảnh hưởng đến mọi hoạt động của nền kinh tế quốc dân

Việc giám sát hay kiểm tra các thiết bị của hệ thống điện trước đây thường được thu thập bằng việc ghi chép, quan sát, đo đạc một cách thủ công, chỉ được xem xét định kì mà rất ít khi được cập nhật thường xuyên và tự động Nếu có sự cố được phát hiện thì các hoạt động bảo dưỡng sẽ được ghi nhớ và tiến hành như là một phần của kế hoạch bảo dưỡng định kỳ tiếp theo Trong các hệ thống điện hiện đại thông tin thu nhận được từ hệ thống tích hợp của các thiết bị điện thông minh(IEDs- Intelligent Electronic Divices) có thể phục vụ cho rất nhiều mục đích của hệ thống điện trong đó có việc giám sát và điều khiển Dữ liệu phục vụ cho việc đoán có thể là thông tin

về tình trạng vận hành như giá trị đo lường, trạng thái hay các tham số của các thiết bị như tình trạng làm việc của máy cắt, máy biến áp Dữ liệu phục vụ cho phân tích hệ thống điện có thể là các bản ghi (ví dụ từ Rơle số) phản ánh phản ứng của hệ thống điện trước các sự cố, theo thời gian Chúng cũng bao gồm cả các báo cáo sự kiện hay chuỗi các sự kiện

Do đó việc vậnhành và bảo vệ hệ thống điện cần có các phương tiện hữuhiệu, đắc lực trợ giúp Một trong các phương tiện đó là hệ thống thông tinđiện lực, với vai : trò

1.1.1 Đáp ứng nhu cầu thông tin vận hành cho các trung tâm điều độ

Đây là một lượng thông tin lớn với nhiều chủngrất loại, vớicác mức độ quan trọng khác nhau, do đó đi cùng với chúng là các công nghệ truyền dẫn khác nhau, ta có thể tạm phân loại thành các dạng thông tin sau:

• Điện thoại trực thông

Ở cấu hình kênh trực thông, các máy điện thoại được đấ nối u tương ứng1:1, khi các máy ở rạm t đầu xa nhấc máy máy, điện thoạitương ứng ở trungtâm sẽ reo chuông và ngược lại

G iữa trung tâm điều độ quốc A gia 0 với các trạm điện, các trung tâmđiều độ cấp dưới, các nhàmáy điệnquan trọng có hơn 40 k nh hotline: ê

Bảng 1.1-Điạ chỉ các trạm điện và trung tâm điều độ có

kênh Hotline với A0

7 NMĐ Uông Bí 27 Trung tâm Điều độ A2

10 Tx Tần số Hoà Bình 30

Bảng 1.2-Điạ chỉ các trạm điện, các trung tâm điều độ

có kênh Hotline với A1

9 Trạm ĐôngAnh 24 Trạm Xuân Mai

Hiện nay trung tâm 0, A1 đang sử dụng A các kênh giả trựcthôngsau:

Bảng 1.3-Điạ chỉ và số điện thoại các kênh giả trực thông

nối với trung tâm điều độ A0, A1

Ngoài ra còn nhiều các kênh giả trựcthông khác nữa

• Hệ thống SCADA: Với nhiệm vụ giám sát, điều khiển và thuthập số liệu sản xuất, do đó lượng thông tin phục vụ các hệ thốngSCADA là rất lớn với nhiều loại thông tinkhác nhau như:

- Tín hiệu đo lường: U, I, , P Q, Cos ϕ, f…

- Tín hiệu điều khiển đóng cắt các máy cắt, điều khiển nấc máybiến áp

- Trạng thái tiếp điểm phụ của máy cắt, cầu dao cách ly

• Kênh truyền dữ liệu tốc độ cao: Phục vụcông tác tự động hoá, điềukhiển hệ thống điện như các kênh bảo vệ tần số

• Cung cấp dịch vụ đa phương tiện : Như truyền hình quan sát từ xa, truyền số liệu thời gian thực

1.1.2 Đảm bảo nhu cầu thông tin quản lý

Hệ thống thông tin điện lực đảm bảo cho các cơ quan chức năng, các đơn

vị thành viên thuộc Tập Đoàn điện lực Việt Nam, phục vụ công tác quản lý kinh doanh và phân phối điện

Nhờ khả năng liên kết mạng tổng đài, liên kết mạng truyền số liệu mạng , thông tin điện lực đã và đang cung cấp các dịch vụ thông tin quản lý, ngày càng mở rộng chất và lượng ngày càng tốt hơn:

• Điện thoại:

Hiện nay mạng thông tin điện lực đã cung cấp dịch vụ gọi điện thoại nội

bộ và các phiên đàm thoại từ máy 5 số của mạng nội bộ gọi vào mạng điệnthoại 8 số của VNPT

Với hàng ngàn phiên đàm điện thoại trong mỗi ngày phục vụ các công việc quản lý, kinh doanh khác cho tất cả các đơn vị trong ngành điện lực trong

cả nước

• Fax

Tương tự như các kênh thoại, khai thác dịch vụ Fax nội bộ giữacác máythuộc mạng thông tin điện lực chiếm một phần không nhỏ lượng thông tinhàng ngày được truyền trên các kênh thông tin điện lực

• Truyền dữ liệu

Đây là một lĩnh vực đầy tiềm năng và khó khăn của ngành điện lực, vìchỉ trong một thờigian ngắn nữa khi thị trường điện lực được vận hành, lượng thông t in phục vụ giao dịch rất lớn Hiện nay lượ ng thông tin chỉ dừng lại ởnhững số liệu thống kê, toán kế

Lượng thông tin này được truyền từ các PC kết nối trong mạng LAN củacác đơn vị với nhau thông qua kênh truyền

• Nhận xét sơ bộ về dung lượng thông tin phục vụ ngành điện và khả

Qua phân tích các loại dữ liệu được truyền trên mạng thông tin điện lực,

để phục vụ cho công tác vận hành, điều khiển quản , lý trong ngành điện và các dữ liệu dịch vụ cho các ngành khác, ta có thể đưa ra một số những nhận xét về đặc điểm dữ liệu nhưsau:

- Lượng thông tin đa dạng, nhiều chủng loại

- Tầmảnh hưởng lớn, có tính chất quyết định

- Dung lượng thông tin lớn

- Phạm vi vận chuyển rộng, qua nhiều loại địa hình

- Thời gian trao đổi liên tục với tần suấtcao

Như vậy việc xây dựng quản, lý, vận hành quy, hoạch và khaithác mạngthông tin điện lực đòi hỏi nhiều thờigian, công sức và tài chính để đảm bảochất lượng phục vụ tốt đáp ứng được nhucầu về giải thông

Hiện nay mạng thông tin điện lực đang từng bước nâng cấp, thay thế các thiết bị truyền dẫn để đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của lượng thôngtin và phù hợp với các hệ thống vận hành, giám sát, quản lý đang được nâng cấp trong ngành điện:

Về kênh truyền: Hiện nay hệ thống thông tin điện lực đang sử dụng một sốloại kênh truyền sau:

- Cáp quang

- Vô tuyến siêu cao tần (Vi ba)

- Tải ba (PLC Power Line Carrier) –

- Dây dẫn phụ hoặc cáp thông tin

Các kênh có dung lượng nhỏ (16kbps , 64kbps) đang dần được thay thế bởi các kênh truyền công nghệ quang có dung lượng lớn gấp nhiều lần (2Mbps) nâng cao khả năng tải củacác tuyến kênh thông tin

Vớicác loại tổng đài và kênh truyền hiện nay đang khai thác sử dụng, đã ứng được yêu về giải thông Trong lai khi thị

lực đi vào hoạt động, khi lđó ượng thông tinđược truyền trên các kênh thôngtin sẽ tăng gấp nhiều lần so vớihiện nay, do đó việc đánh giá khả năng thông qua của mạngthông tin là một đòi hỏi tất yếu

1.2 Một số kênh thông tin trong hệ thống điện

1.2.1 Kênh thông tin truyền dẫn quang

Các đặc tính của thông tin quang

Trước hết, vì có băng thông rộng nên nó có thể truyền một khối lượng thông tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp bằng cách sử dụng sợi quang, một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh

có thể được truyền đến những địa điểm cách xa hàng trăm kilomét mà không cần đến các bộ tái tạo (lặp)

Sợi quang nhỏ, nhẹ, không có xuyên âm và vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi nên chúng không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ

Ngoài những ưu điểm đã nêu trên, sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài và có khả năng đề kháng môi trường lớn Nhờ những ưu điểm này, sợi quang được sử dụng cho các mạng lưới điện thoại, dữ liệu, và phát thanh truyền hình (dịch vụ băng rộng), thông tin điện lực, các ứng dụng y tế

và quân sự, cũng như các thiết bị đo

Tuy nhiên, cáp quang có nhược điểm là khó lắp đặt (đấu nối cáp) và giá thành còn cao so với các loại cáp thông tin khác Nếu có thể khắc phục được những nhược điểm này thì có thể nói cáp quang là loại cáp lý tưởng cho các

hệ thống truyền tin trong tương lai

Cáp sợi quang

Một sợi cáp quang bao gồm một sợi lõi, một lớp vỏ và một lớp bọc bảo

Lõi là một sợi hoặc một bó sợi được làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo

trong suốt có thể truyền dẫn tín hiệu quang Vỏ là một lớp bọc bao quanh lõi,

cũng được làm bằng sợi thủy tinh hay chất dẻo trong suốt Nó có tác dụng phản xạ, ngăn không cho ánh sáng lọt ra ngoài lõi Ngoài ra, lớp vỏ này còn

có tác dụng cách ly và bảo vệ lõi Bên ngoài cùng là lớp vỏ bảo vệ plastic, để bảo vệ cho toàn bộ sợi cáp

Hình 1.1 Cấu trúc cáp sợi quang

Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang

Nguyên lý làm việc của cáp quang dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần của ánh sáng tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 môi trường có sự khác nhau về

hệ số khúc xạ Về lý thuyết, khi một tia sáng đi đến mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất n1 và n2 khác nhau nó có thể bị khúc xạ, phản xạ hoặc là xảy ra cả hai hiện tượng trên Tuy nhiên, nếu chiết suất của 2 môi trường và góc tới của ánh sáng (là góc hợp bởi tia sáng với đường trực giao bề mặt) thỏa mãn điều kiện sau thì có thể xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:

) ( arctg

Lớp b ọc thứ hai Tầng cản b l ít ối Lớp bọc đầu tiên Sợi quang

Áo Phần cốt lõi

trong đó α là góc tới của tia sáng (như hình 1.2) còn n1 và n2 chiết suất của môi trường 1 và 2

α

Hình 1.2: Nguyên lý phản xạ toàn phần của ánh sáng

a Sợi đa chế độ - chiết suất bậc

b Sợi đa chế độ - chiết suất biến đổi đều

Cáp sợi quang chỉ có thể hoạt động ở một trong hai chế độ là : Mode (chỉ có một đường dẫn quang duy nhất) hoặc Multi-Mode (có nhiều đường dẫn quang):

Single-• Loại Single-Mode (hay sợi đơn chế độ): Sợi quang một kiểu sóng, tín hiệu truyền đi là các tia laser có tần số thuần nhất Các điôt laser được

sử dụng trong các bộ phát Tốc độ truyền có thể đạt tới hàng trăm Gbit/s ở khoảng cách 1km

• Loại Multi-Mode (hay sợi đa chế độ): Sợi quang nhiều kiểu sóng, tín hiệu truyền đi là các tia laser có tần số không thuần nhất Các LED được sử dụng trong các bộ phát Hiện tượng tán xạ gây khó khăn trong việc nâng cao tốc độ truyền và chiều dài cáp dẫn

Ngoài ra người ta còn có thể phân loại cáp quang dựa theo vật liệu (thạch anh, thủy tinh đa vật liệu ) và theo sự phân bố chiết suất (chiết suất biến đổi đều, chiết suất bậc) Có thể tóm tắt một số đặc tính và thông số tiêu biểu của các loại cáp quang như sau:

Bảng 1.4-Một số thông số của các loại cáp quang

Cấu trúc cơ bản của một kênh thông tin quang trong hệ thống thông tin điện lực

Mạch điện tử sẽ xử lý các tín hiệu được phát ra từ nguồn và tạo ra các tín hiệu điện đưa vào các bộ biến đổi điện quang Tại đây các bộ biến đổi Điện/Quang sẽ chuyển đổi các tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa vào kênh truyền dẫn cáp quang Trên thực tế, trong quá trình truyền tín hiệu - quang, cũng như mọi quá trình truyền dẫn khác, luôn luôn tồn tại sự tiêu hao

Vì vậy, sau một khoảng cách nhất định nào đó thường phải có trạm lặp để khuếch đại tín hiệu, đảm bảo cho chúng có thể đến được đích chính xác Tại nơi nhận, quá trình biến đổi sẽ diễn ra ngược lại

Hình1.4 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang

Một số hệ thống kết nối quang đang được sử dụng tại hệ thống thông tin điện lực Việt Nam

Với những ưu điểm đã phân tích ở trên, hệ thống truyền dẫn cáp đang dần dần được lắp đặt rộng rãi và thay thế cho một số kênh truyền dẫn khác, trong hệ thống thông tin điện lực Việt Nam

Các dữ liệu truyền trên kênh truyền của hệ thống thông tin điện lực gồm:

• C ác kênh Hotline

• Các kênh thoại(Line telephone) sử dụng các loại tổng đài khác nhau

• Các kênh dữ liệu thu thập từ các trạm đầuxa, tín hiệu Rơle,…

Tuyến quang Phả Lại 2- Phả Lại 1

Trên tuyến quang này sử dụngcác thiết bị truyền dẫn là Modem, thiết bị ghép tách kênh là FMX, thiết bị chuyển tiếp ODP Hình 1.5 thể hiện cụ thể sơ

Hình 1.5 Tuyến quang Phả Lại 2- Phả Lại 1

Tuyến quang Trạm 500kV Hoà Bình Thuỷ điện Hoà Bình Điện - - lực Hoà Bình

Hình 1.6 Tuyến quang Trạm 500kV Hoà Bình- Thuỷ điện Hoà Bình

- Điện lực Hoà Bì nh

1.2.2 Kênh thông tin vô tuyến

Trên thực tế, không phải lúc nào cũng có thể sử dụng các loại cáp điện hay cáp quang để làm phương tiện truyền dẫn Ví dụ như khi địa hình hiểm trở, khoảng cách giữa hai đối tác truyền thông là quá lớn thì việc xây dựng một hệ thống cáp nối là khó khăn và tốn kém về kinh phí Khi đó, việc truyền tin được thực hiện bằng sóng vô tuyến Nhờ có sự tiến bộ của nhiều công nghệ viễn thông hiện đại và tin cậy mà hiện nay phương pháp truyền dữ liệu bằng sóng vô tuyến đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi hơn Trong

hệ thống điện cũng vậy, thực tế có thể sử dụng trực tiếp các thiết bị viễn thông có sẵn như một kênh liên lạc hiệu quả và kinh tế

Hình 1.7: Một ví dụ về các kênh thông tin vô tuyến trong HTĐ

a) S óng adio r

Sóng radio chiếm dải tần từ 10 kHz đến 1GHz, trong đó có các băng tần quen thuộc như:

• Sóng ngắn

• VHF (Very High Frequency): dùng cho truyền hình và FM radio

• UHF (Ultra High Frequency): dùng cho truyền hình và các loại thông tin di động

Có 3 phương thức truyền theo tần số radio:

• Công suất thấp, tần số đơn: (Low power - Single frequency): có tốc độ thực tế từ 1 đến 10Mbit/s Độ suy hao lớn do công suất thấp, chống nhiễu kém

• Công suất cao, tần số đơn: (High power - Single frequency): tốc độ tương tự: 1 đến 10Mbit/s Độ suy hao có khá hơn nhưng khả năng chống nhiễu vẫn kém

• Trải phổ (Spread Spectrum): tất cả các hệ thống 900 MHz đều có phạm

vi tốc độ từ 2 - 6 Mbit/s Các hệ thống mới làm việc với các tần số GHz

có thể đạt tốc độ cao hơn Do hoạt động ở công suất thấp nên độ suy hao cũng lớn

b) Sóng viba (Microware)

Nền tảng của thông tin ViBa

Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn Phương pháp thông tin là: phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ phía phát qua không gian và tách lấy

tín hiệu gốc Các đặc tính của sóng ViBa

Sóng viba hay còn gọi là sóng cực ngắn là một phương pháp truyền tin rất hữu hiệu, cho phép truyền được tín hiệu trong một dải rộng Hai dạng

truyền thông chính được sử dụng hiện nay đó là vi sóng mặt đất và vi sóng

qua vệ tinh

Các hệ thống viba mặt đất thường hoạt động ở dảibăng tần 4-6 GHz và 21-23 GHz, tốc độ truyền dữ liệu từ 1-10 Mbit/s Với kỹ thuật này, có thể sử dụng các dịch vụ viễn thông công cộng hoặc là lắp đặt hệ thống riêng

Đường truyền lan sóng vô tuyến

Sóng vô tuyến không truyền lan theo dạng lý tưởng khi chúng ở trong không gian do ảnh hưởng của mặt đất và tầng đối lưu Đường truyền sóng giữa các đầu phát T và đầu thu R còn có sóng phản xạ từ bề mặt đất để đạt tới trạm thu, ngoài sóng trực tiếp theo đường thẳng

Cấu trúc logic cơ bản của một kênh thông tin Vi ba số

Một kênh thông tin Viba số thông thường với sự tích hợp các modul sẽ

có cấu trúc cơ bản như sau:

Hình1.8 Cấu trúc cơ bản kênh truyền dẫn Viba số

Một số hệ thống kết nối Vi Ba đang được sử dụng tại hệ thống thông tin điện lực Việt Nam

Ngoài những ưu điểm về khắc phục địa hình kênh, thông tin Viba còn có

lý, vận hành; tổ chức thành mạng truyền dẫn Điểm - Đa điểm Điểm: Trạm (gốc; Đa điểm: Trạm thu phát đầu xa ; phù hợp hệ thống giám sát vận hành ) cấp địa phương với nhiều điểm thông tinnhỏ nhưcác trạm điện

Tuyến Viba trạm 110 kV Phủ – lý trạm 110 kV Lý nhân

Trên tuyến Viba này có sơ đồ ghép nối

Hình1.9 Tuyến Viba trạm 110 kV Phủ Lý – trạm 10 kV Lý Nhân 1

Tuyến Viba Điện lực Hải Phòng Trạm – Thuỷ Nguyên

Trên tuyến Viba này có sơ đồ ghép nối

Hình 1.10 Tuyến Viba Điện lực Hải Phòng – Trạm Thuỷ Nguyên

c) Các hệ thống hồng ngoại (Infrared System)

Có 2 phương pháp kết nối mạng bằng hồng ngoại được sử dụng là: điểm

- điểmvà quảng bá

Các mạng điểm - điểm hoạt động bằng cách chuyển tiếp các tín hiệu hồng ngoại từ một thiết bị tới thiết bị kế tiếp Giải tần của phương pháp này khoảng từ 100 GHz đến 1000 THz, tốc độ đạt được khoảng từ 100 kb/s đến

16 Mb/s Các mạng quảng bá hồng ngoại cũng có dải tần từ 100 GHz đến

1000 THz, nhưng tốc độ truyền dữ liệu thực tế chỉ đạt dưới 1Mb/s mặc dù về

lý thuyết có thể đạt cao hơn

Vừa phải 100 b/s K Phụ thuộc

cường độ as

và môi trường

Nhạy cảm với c/độ as Quảng bá 100 GHz-

1000 GHz

Cao hơn cáp, thấp hơn vô tuyến

với cđộ as

1.2.3 Kênh tải ba PLC (Power Line Carrier)

Công nghệ truyền dẫn PLC sử dụng đường dây tải điện làm môi trường truyền dẫn, với đặc thù trải rộng khắp cả nước, việc tận dụng đường dây tải điện đã mang lại một số lợi thế như giảm chi phí xây dựng, có độ bền vững cao Tuy vậy, vì không phải được thiết kế cho mục đích truyền dữ liệu nên khi

Bảng 1.5: So sánh các phương tiện vô tuyến

được sử dụng như một kênh truyền dữ liệu thì PLC có nhiều tính chất bất lợi như sau:

Sự giới hạn về dải thông.

Do không được thiết kế cho mục đích truyền data, do vậy kênh truyền PLC có dải thông rất hẹp, ngoài ra dải thông trên đường PLC còn được quy định bởi các chuẩn khác nhau như: Chuẩn Châu Âu CELENEC, chuẩn Bắc Mỹ Các chuẩn này quy định tần số hoạt động của các kênh truyền PLC Chính vì giới hạn này mà chúng ta sẽ rất kh khăn để triển khai các dịch vụ ó

có tốc độ dữ liệu cao

Không cân bằng trở kháng.

Trong hệ thống thông tin thông thường, việc phối hợp trở kháng giữa các máy thu, máy phát và các thiết bị khác là hoàn toàn có thể làm được, ví dụ như chúng ta luôn luôn có thể chọn được một loại cáp 50 ohm để dùng cho một máy thu phát với một kênh truyền PLC bởi lẽ trở kháng của mạng điện –

là luôn luôn thay đổi theo thời gian và không gian, nghĩa là ở tại một thời điểm khác nhau, tại một vị trí khác nhau trên lưới điện chúng ta sẽ có giá trị trở kháng khác nhau và luôn biến đổi theo tải

Bức xạ sóng điện từ

Khi chúng ta truyền tín hiệu vô tuyến lên đường truyền PLC thì hệ thống dây dẫn có thể được coi như là một hệ thống antenna khổng lồ và khi đó tín hiệu sẽ bị bức xạ ra ngoài không gian, tần số sóng mang càng lớn thì bức xạ càng lớn Sóng bức xạ này có thể sẽ làm nhiễu các thiết bị vô tuyến ở môi trường xung quanh đường truyền Chính vì vậy thông thường các máy phát PLC thường bị giới hạn công suất phát

Nhiễu đường truyền.

Đây được coi là nguyên nhân chính làm cho khoảng cách kênh truyền của hệ thống PLC bị giới hạn và nó phải đặc biệt được quan tâm trong quá trình thiết kế hệ thống PLC

Một kênh truyền phải được thiết kế sao cho mức tín hiệu thu được phải lớn hơn mức nhiễu thu được trong băng tần hoạt động, còn lớn hơn bao nhiêu thì nó phụ thuộc vào phương thức điều chế tín hiệu cũng như ứng dụng cụ thể của kênh truyền

Nhiễu kênh truyền PLC thường có hai loại:

• Nhiễu liên tục: nhiễu này xuất hiện ở mọi thời điểm và thường có hai biên độ rất nhỏ

• Nhiễu xung: nhiễu này chỉ xuất hiện trong một khoảng thời gian ngắn (ms) tuy nhiên biên độ lại rất lớn thậm chí lên hàng kV

Những nhiễu này thường được sinh ra bởi việc đóng cắt điện, sấm sét hoặc ngay cả nhiễu do tần số 50/60Hz sinh ra cũng như nhiễu do các sóng vô tuyến ở môi trường xung quanh

Cấu trúc logic cơ bản của một kênh truyền Tải ba

Một kênh truyền PLC thường có cấu trúc tổng quát như sau:

Line turner

Tranceiver

Data in

Data out

Data in

Data in

Cáp đồng trục

Cáp đồng trục Drain

Coupling

Hình 1.11: Cấu trúc kênh truyền PLC

Sơ đồ nguyên lý của kênh tải ba được trình bày như trong hình 1.11- đây

là sơ đồ pha - đất Ngoài ra, người ta còn có thể thực hiện kênh tải ba PLC

theo một số phương án khác như: pha - pha, pha - pha của 2 lộ khác nhau, dây chống sét đất, dây chống sét - - dây chống sét

Chức năng của các module.

Tranceiver: Đây là module làm nhiệm vụ thu phát tín hiệu

Line tuner

Mục đích chính của module này là kết hợp với tụ Coupling để tạo thành mạch điện có trở kháng thấp đối với tần số sóng m ng của kênh truyền và có atrở kháng cao đối với tần số nguồn điện 50/60Hz

Line trap

Việc thiết kế một kênh truyền là phải làm sao cho công suất tín hiệu đạt được tại máy thu là lớn nhất và chính vì vậy năng lượng của sóng mang trên đường truyền phải được định hướng về phía máy thu, và điều này được thực hiện bởi module linetrap như trên sơ đồ Module linetrap được thực hiện bởi một mạch LC cộng hưởng song song ở tần số sóng mang Mặt khác cuộn cảm của module này phải có trở kháng đủ nhỏ ở tần số 50/60Hz và kích thước cũng phải đủ lớn cho phép dòng điện rất lớn chạy qua

Cáp đồng trục

Thông thường được sử dụng làm đường truyền giữa LineTuner và máy thu phát, trong các ứng dụng PLC loại cáp RG8A/U hoặc tương đương thường hay được sử dụng bởi ở hai dải tần số sử dụng cho kênh truyền PLC suy hao tín hiệu trên đường cáp là rất thấp khoảng 2.7dB/1000m

không được sử dụng để ghép nối giữa các máy thu và máy phát tuỳ theo ứng dụng cụ thể

Các tín hiệu dùng cho bảo vệ là một trong những ứng dụng quan trọng nhất đối với kênh PLC Không một công nghệ nào khác có thể đạt được những tiêu chuẩn như PLC (đặc biệt là về mặt độ tin cậy): chừng nào các đường dây tải điện còn hoạt động thì PLC vẫn còn có thể truyền tải các tín hiệu để phục vụ bảo vệ mạng Hơn thế nữa, một hệ thống PLC còn đạt được yêu cầu về giá thành, đặc biệt là khi truyền tải một lượng thông tin không quá lớn trên một khoảng cách dài (nếu là cáp quang thì chi phí sẽ rất đắt khi khoảng cách đường truyền tăng lên)

Một số hệ thống kết nối Tải ba đang được sử dụng tại hệ thống thông tin điện lực Việt Nam

Hình 1.12 Tuyến PLC Ninh Bình – Nam Định và Nam Định – Mỹ xá

1.2.4 Cáp thông tin

a) Cáp đôi dây xoắn (Twisted - Pair Cable)

Cáp có tên gọi như vậy là vì nó gồm hai dây dẫn đồng được quấn cách

điện, xoắn vào nhau Tác dụng của việc quấn dây như vậy là để làm giảm nhiễu điện từ gây ra bởi môi trường xung quanh và gây ra bởi bản thân chúng đối với nhau

Một cáp dẫn thường bao gồm có nhiều đôi dây xoắn, trường hợp phổ biến là hai đôi dây Hiện nay, có 2 loại cáp được dùng là cáp có bọc kim STP (Shielded Twisted Pair) và cáp không bọc kim UTP (Unshielded Twisted Pair) Sự khác nhau của STP và UTP ở chỗ, ngoài vỏ bọc chung bên ngoài của cả cáp thì STP còn có thêm một lớp che chắn riêng cho từng đôi dây, như trên hình 1.13 a)

STP

Gồm nhiều cặp xoắn đôi được phủ bên ngoài một lớp vỏ làm bằng dây đồng bện Lớp vỏ này có tác dụng chống nhiễu điện từ từ bên ngoài vào và chống phát xạ nhiễu bên trong Lớp vỏ bọc chống nhiễu này được nối đất để thoát nhiễu Cáp STP ít bị tác động bởi nhiễu điện và có tốc độ truyền qua khoảng cách xa cao hơn cáp UTP

Hình 1.13: Cáp đôi dây xoắn kiểu STP và UTP

- Loại 1: có 2 cặp dây xoắn, dùng truyền tín hiệu âm thanh, tốc độ <

4Mbps, ứng dụng trong mạng PSTN;

- Loại 2: có 4 cặp dây xoắn, tốc độ lên đến 4 Mbps, ứng dụng trong mạng Token Ring over UTP

- Loại 3: có 4 cặp dây xoắn, 3 mắt xoắn trên mỗi foot, tốc độ lên đến 10

Mbps, dùng truyền tín hiệu thoại rất tốt

- Loại 4: có 4 cặp dây xoắn, dùng truyền dữ liệu, tốc độ đạt được 16Mbps có thể lên đến 20Mbps, ứng dụng cho mạng Token Ring tốc

- Loại 6: có 4 cặp dây xoắn, dùng truyền dữ liệu, tốc độ từ 1Gbps đến

10Gbps, được chỉ định thay thế cho loại 5e, ứng dụng trong mạng Super Ethernet

Đặc điểm của cáp UTP:

- Khoảng cách tối đa cho phép truyền tín hiệu : 100m;