Hệ thống mini scada áp dụng ho á trạm biến áp 110 kv miền bắ

Người viết cũng h vọng qua bản luận văn này sẽ tìm hiểu và nắm bắt được y một lĩnh vực công nghệ tiên tiến được ứng dụng trong hệ thống điện, các tiêu quy định, tiêu chuẩn mới được yêu c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- ĐÀO QUANG MINH

H Ệ THỐNG MINI SCADA ÁP ỤNG CHO CÁC TRẠM BIẾN ÁP D 110kV MI Ề N BẮC

Mở đầu 1

Chương I: Cơ sở kỹ thuật truyền thông 4

1.1 Chế độ truyền tải thông tin 4

1.2 Cấu trúc mạng 8

1.3 Các tiêu chuẩn thông tin trong hệ thống điện 13

1.4 Giao thức IEC 61850 20

1.5 Giao thức sử dụng cho việc truyền tin đi xa 25

1.6 Kết luận 27

Chương II: Hệ thống SCADA và các ứng dụng trong Hệ thống điện 28

2.1 Dữ liệu thời gian thực và sự cần thiết 28

2.2 Hệ thống quản lý mạng 29

2.3 Hệ thống liên lạc SCADA 33

2.4 Các chức năng hệ thống SCADA 39

2.5 Kết luận 44

Chương I : Thực trạng thiết bị, tự động hóa và điều khiển trong lưới điện 110kV do II Công ty Lưới điện cao thế miền Bắc quản lý 45

3.1 Giới thiệu chung về lưới điện 110kV 45

3.2 Hiện trạng thiết bị và hệ thống điều khiển 47

3.3 Kết luận 51

Chương IV: Hệ thống miniSCADA ứng dụng cho các trạm 110kV 53

4.1 Mô hình hệ thống miniSCADA 53

4.2 Kiến trúc hệ thống tích hợp điều khiển trạm 55

4.2.1 Trao đổi thông tin giữa các thiết bị trong hệ thống tích hợp 56

4.2.2 Yêu cầu kỹ thuật chính của hệ thống tích hợp điều khiển trạm 61

4.2.3 Yêu cầu của hệ thống máy tính sử dụng tại trạm 61

4.3 Hệ thống thu thập dữ liệu tại Công ty Lưới điện cao thế 62

4.4 Cấu trúc hệ thống tại các trung tâm điều khiển 64

4.5 Giải pháp xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp đối với các trạm 110kV miền Bắc hiện nay 67

4.6 Xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp cho trạm 110kV Phù Chẩn 71

4.6.1 Tổng quan về trạm 110kV Phù Chẩn Bắc Ninh- 71

4.6.2 Giải pháp công nghệ SCADA cho trạm 110kV Phù Chẩn 74

4.6.2.1 Danh sách dữ liệu SCADA 74

4.6.2.2 Giải pháp xây dựng hệ thống tích hợp điều khiển trạm 76

4.7 Kết nối các thiết bị trong hệ thống Mini SCADA 81

4.7.1 Sơ đồ kết nối các thiết bị chính trong hệ thống 81

4.7.2 Cấu hình hệ thống điều khiển máy tính cho trạm 110kV 83

4.7.3 Các giao diện máy tính của hệ thống tích hợp điều khiển trạm 90

4.7.4 Các chức năng chính của hệ thống tích hợp điều khiển 100

4.8 So sánh cấu trúc hệ thống điều khiển máy tính của trạm 110kV với hệ thống điều khiển tích hợp trạm 220kV 101

4.9 Kết luận 103

Chương V: Hiệu quả của mô hình mini SCADA và các kiến nghị 104

5.1 Những hiệu quả mang lại khi áp dụng mô hình mini - SCADA 104

5.2 Những khó khăn khi trển khai mô hình miniSCADA 106

5.3 Những kiến nghị 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 CÁC PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các chế độ truyền tin 5

Hình 1.2: Cấu trúc point-to-multipoint tại Trung tâm điều độ 9

Hình 1.3: Cấu trúc bus 10

Hình 1.4: Cấu trúc dạng mạch vòng 11

Hình 1.5: Cấu trúc mạng hình cây 11

Hình 1.6: Cấu trúc mạng dạng sao 12

Hình 1.7: Mô hình kiến trúc OSI 14

Hình 1.8: Các tiêu chuẩn thông tin liên lạc được sử dụng trong trạm 18

Hình 1.9: Các chuẩn thông tin liên lạc với bên ngoài trạm 19

Hình 1.10: Xu hướng chuẩn trao đổi thông tin hiện nay 20

Hình 1.11: Kiến trúc chức năng trong IEC 61850 22

Hình 1.12: Các mức được phân chia trong mô hình thông tin 23

Hình 1.13: Khái niệm về ngăn lộ 24

Hình 1.14: Cấu trúc dữ liệu trong 1 thông điệp của IEC60870-5-101 26

Hình 1.15: Ngăn xếp của giao thức IEC60870-5-104 26

Hình 2.1: Chu trình đo lường, thông tin, vận hành hệ thống điện 28

Hình 2.2: Các ứng dụng của SCADA 30

Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của phần cứng trung tâm 33

Hình 2.4: Cấu trúc kiểu point - to – point 34

Hình 2.5: Cấu trúc kết nối nối tiếp 34

Hình 2.6: Cấu trúc sao nối tiếp- 35

Hình 2.7: Cấu trúc kết nối kiểu điểm nhiều điểm (multi-drop) 35

Hình 2.8: Một số kênh liên lạc trong hệ thống SCADA 37

Hình 2.9: Chức năng thu thập dữ liệu 40

Hình 2.10: Chức năng chỉ thị trạng thái 40

Hình 2.11: Đo lường giá trị tương tự 41

Hình 2.12: Cơ sở dữ liệu phục vụ cho tính toán 42

Hình 3.1: Mô hình thông tin, phân quyền điều khiển tại các trạm 110kV 50

Hình 4.1: Mô hình thông tin tổng thể hệ thống miniSCADA 53

Hình 4.2: Mô hình thông tin khi áp dụng mini SCADA 54

Hình 4.3: Kiến trúc tại các mức trong trạm biến áp 55

Hình 4.4: Cấu trúc vận hành của hệ thống tích hợp 57

Hình 4.5: Mô hình trao đổi dữ liệu giữa các mức 58

Hình 4.6: Lược đồ khái niệm trao đổi thông tin 59

Hình 4.7: Kiến trúc phần cứng hệ thống 63

Hình 4.8: Kiến trúc hệ thống trung tâm quản lý 64

Hình 4.9: Kết cấu hệ thống trung tâm điều khiển 65

Hình 4.10: Mô hình hệ thống tích hợp cho các trạm mới 68

Hình 4.11: Mô hình các trạm đang được trang bị RTU hiện nay 69

Hình 4.12: Mô hình khi xây dựng hệ thống tích hợp 69

Hình 4.13: Mô hình hệ thống tích hợp áp dụng 70

Hình 4.14: Sơ đồ nối điện chính của trạm E27.8 đã được phê duyệt 72

Hình 4.15: Giải pháp lắp đặt BCU phía 110kV 77

Hình 4.16: Sơ đồ điều khiển bảo vệ phía 22kV 79

Hình 4.17: Hệ thống một chiều, xoay chiều trạm 110kV Phù Chẩn 80

Hình 4.18: Kết nối các thiết bị tổng thể trong hệ thống tích hợp 81

Hình 4.19: Sơ đồ kết nối các rơ le bảo vệ và BCU phía 110kV 82

Hình 4.20: Sơ đồ kêt nối các rơ le bảo vệ phía 22kV 82

Hình 4.21: Khối điều khiển ngăn lộ 6MD63 – Siemens 84

Hình 4.22: Giao diện tổng quan toàn bộ hệ thống điều khiển 91

Hình 4.23: Giao diện tổng quan trạm 110kV Phù Chẩn 92

Hình 4.24: Giao diện các ngăn lộ 94

Hình 4.25: Giao diện ngăn lộ máy biến áp 94

Hình 4.26: Màn hình danh sách cảnh báo tại từng ngăn lộ 96

Hình 4.27: Giao diện hệ thống AC/DC 98

Hình 4.28: Giao diện rơ le 99

Hình 4.29: Bảng báo cáo thông số vận hành 100

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

MỞ ĐẦU

1 Thực trạng hệ thống thông tin tại các trạm 110kV 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 trao đổi thông tin

Lưới điện 110kV miền Bắc do Công ty Lưới điện cao thế miền Bắc quản lý

đã và đang ngày càng phát triển, trung bình mỗi năm số trạm 110kV tăng khoảng 10 trạm và hơn 200km đường dây 110kV Tuy nhiên do nhiều trạm xây dựng đã lâu hoặc xây dựng mới nhưng chưa đồng bộ cho nên cơ sở vật chất và các phương tiện phục vụ cho việc trao đổi thông tin vận hành, công tác điều hành hiện nay còn thô

sơ và chưa đáp ứng được với tốc độ phát triển cần thiết cho việc vận hành an toàn,

ổn định lưới điện

Việc tiếp nhận, phân tích xử lý cũng như lưu trữ thông tin dữ liệu cho đến nay vẫn được tiến hành ủth công, 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: nhân viên trực vận hành trạm kiểm tra tình trạng của các thiết bị, khai thác thông tin sự cố qua các rơ le

và báo cáo về các cấp điều độ liên quan thông qua điện thoại) dẫn tới kéo dài thời gian xử lý tình huống Ngoài ra việc cập nhật thông s ố cũng chưa được diễn ra thường xuyên và có hệ thống, lưu trữ dữ liệu hầu hết vào các sổ ghi thông số dẫn đến việc truy xuất dữ liệu khi cần thiết rất mất thời gian và phức tạp, chưa kể đến trình độ của các nhân viên vận hành trạm là khác nhau do đó mức độ tin cậy trong việc truyền đạt, lưu trữ các thông tin vận hành cũng là một vấn đề đáng quan tâm

Xuất phát từ thực tiễn công việc, các yêu cầu cấp thiết đối với việc theo dõi giám sát, điều khiển các thiết bị tại các trạm 110kV là nguyên nhân cho việc tìm hiểu và nghiên cứu ứng dụng một hệ thống miniSCADA cho các trạm biến áp110kV miền Bắc đề tài của bản luận văn này.,

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

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 ệ thống điện từ đó dẫn đến việc đề xuất giải pháp kỹ thuật xây dựng hệ Hthống miniSCADA cho các trạm 110kV miền Bắc

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 việc xây dựng một hệ thống mini SCADA cho các trạm 110kV, với mục đích có được một cái nhìn đầy đủ và toàn diện hơn

Người viết cũng h vọng qua bản luận văn này sẽ tìm hiểu và nắm bắt được y một lĩnh vực công nghệ tiên tiến được ứng dụng trong hệ thống điện, các tiêu quy định, tiêu chuẩn mới được yêu cầu với các thiết bị trong trạm biến áp của EVN và với kết quả từ việc xây dựng hệ thống miniSCADA sẽ có thêm những kiến thức mới, đề ra các giải pháp cải tạo hệ thống tự động điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu cho trạm biến 110kV miáp ền Bắc hiện nay

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:

1:

Chương "Cơ sở kỹ thuật truyền thông" trình bày về những khái niệm cơ

bản về việc truyền thông tin Chương này cũng tìm hiểu về giao thức và các chuẩn thông tin liên lạc dùng trong Hệ thống điện và giới thiệu về giao thức truyền thông IEC 61850, IEC 60780 -101/104

2:

Chương "SCADA và các ứng dụng trong Hệ thống điện" tập trung tìm

hiểu về cấu trúc và hoạt động của một hệ thống giám sát điều khiển và thu nhập dữ liệu SCADA tổng quan trong Hệ thống điện

3:

Chương "Hiện trạng trang thiết bị, tự động hoá và điều khiển tại lưới điện110kV do Công ty Lưới điện cao thế miền Bắc quản lý" Chương này nêu ra thực

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

trạng và nhu cầu của việc xây dựng hệ thống miniSCADA cho lưới điện 110kV khu vực miền Bắc

4:

Chương "Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm 110kV miền Bắc" Toàn bộ chương này trình bày giải pháp áp dụng mô hình miniSCADA cho các trạm 110kV miền Bắc và xây dựng hệ thống tích hợp điều khiển giám sát cho trạm 110kV Phù Chẩn Bắc Ninh-

5

Chương : “Hi qu c mô hình miniSCADA ệu ả ủa và những kiến nghị” - trong chương này phân tích những lợi ích mang lại khi triển khai hệ thống miniSCADA tại các trạm 110kV, những khó khăn khi triển khai và kiến nghị thực hiện

Phần tài liệu tham khảo

Phần phụ lục

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà

Nội đã truyền thụ kiến thức và phương pháp nghiên cứu khoa học, đặc biệt là Tiến

s ĩNguyễn Xuân Hoàng Việt đã đầu tư thời gian, kiến thức và kinh nghiệm giúp đỡ

tôi hoàn thành luận văn này

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

CHƯƠNG : CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG I

Để có thể kết nối các thiết bị với nhau cần phải có phương thức truyền thông, đây là phần quan trọng trong hệ thống, nó góp phần kết nối các phần tử trong hệ thống lại với nhau Đặc biệt là đối với Hệ thống điện, khối lượng thông tin cần trao đổi rất lớn và ngày càng được mở rộng, việc kết nối các thiết bị một mặt phải đảm bảo độ tin cậy của đường truyền, một mặt phải đáp ứng được tốc độ truyền tin Để

có được cái nhìn tổng quan về phương thức truyền thông ta tìm hiểu các phần sau:

1.1 Chế độ truyền tải thông tin

Chế độ truyền tải được hiểu là phương thức các bit dữ liệu được chuyển giữa các đối tượng truyền thông gồm:

- Truyền song song hay nối tiếp

- Truyền đồng bộ hay không đồng bộ

- Truyền một chiều (simplex), hai chiều toàn phần (duplex, full duplex) hay - hai chiều gián đoạn (half- duplex)

- Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng

1.1.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp

Truyền bit song song:

Phương pháp truyền bit song song được dùng phổ biến trong các bus nội bộ của máy tính Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số kênh dẫn hay chính là độ rộng của một bus song song Việc nhiều bit được truyền đi đồng thời gây trở ngại lớn khi khoảng cách giữa các đối tác truyền thông tăng lên vì khó đồng bộ giữa bên thu và bên phát, khối lượng dây dẫn sử dụng lớn Chính vì vậy phạm vi ứng dụng của phương pháp truyền này chỉ hạn chế ở khoảng cách nhỏ, có yêu cầu cao về thời gian

và tốc độ truyền

Truyền bit nối tiếp:

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Với phương pháp này, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua một đường truyền duy nhất Tốc độ bit vì thế bị hạn chế nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ liệu cao Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng phương pháp truyền này

1.1.2 Truyền đồng bộ và không đồng bộ

Sự phân biệt giữa chế độ truyền đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên quan tới phương thức truyền bit song song Trong chế độ này các đối tác truyền thông làm việc theo cùng một nhịp, tức là với cùng tần số và độ lệch pha cố định

1.1.3 Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn

Hình 1.1: Các chế độ truyền tin Truyền một chiều (Simplex)

Trong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ được chuyển đi theo một chiều, một trạm chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên nhận thông tin (receiver) trong suốt quá trình giao tiếp

Truyền hai chiều gián đoạn (Half-duplex)

Chế độ truyền 2 chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi hoặc nhận thông tin nhưng không cùng một lúc Nhờ vậy thông tin được trao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý Một ưu điểm của chế độ

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

này là không đòi hỏi cấu hình hệ thống phức tạp lắm, trong khi có thể đạt được tốc

độ truyền tương đối cao

Truyền hai chiều toàn phần (Duplex)

Với chế độ truyền hai chiều toàn phần, mỗi trạm đều có thể gửi hoặc nhận thông tin cùng một lúc Thực chất chế độ này chỉ khác với chế độ truyền hai chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát, tức là khác ở cấu hình hệ thống truyền thông

1.1.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng

Truyền tải dải cơ sở

Một tín hiệu mang một nguồn thông tin có thể biểu diễn bằng tổng của nhiều dao động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp được gọi là dải tần cơ sở hay dải hẹp Tín hiệu được truyền đi cũng chính là tín hiệu được tạo ra sau khi mã hoá bit nên có tần số cố định hoặc nằm trong một khoảng hẹp nào đó, tuỳ thuộc vào phương pháp mã hoá bit Đường truyền chỉ có thể mang một kênh thông tin duy nhất, mọi thành viên trong mạng phải phân chia thời gian để sử dụng đường truyền Tốc độ truyền tải vì thế tuy có bị hạn chế nhưng phương pháp này dễ thực hiện và tin cậy, được dùng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp

Truyền tải dải mang

Trong một số trường hợp, dải tần cơ sở không tương thích trong môi trường làm việc, người ta sử dụng một tín hiệu khác gọi là tín hiệu mang có tần số nằm - trong một dải tần thích hợp dải mang Dải tần này thường lớn hơn nhiều so với tần -

số nhịp Dữ liệu cần truyền tải sẽ dùng để điều chế tần số, biên độ hoặc pha của tín hiệu mang Bên nhận sẽ thực hiện quá trình giải điều chế để hồi phục thông tin nguồn Khác với truyền tải dải rộng nêu dưới đây, phương thức truyền tải dải mang chỉ áp dụng cho một kênh truyền duy nhất, giống như truyền tải dải cơ sở

Truyền tải dải rộng

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Sau khi nhiều nguồn thông tin khác nhau đã được mã hoá bit, mỗi tín hiệu được tạo ra sẽ dùng để điều biến một tín hiệu khác, thường có tần số lớn hơn nhiều gọi là tín hiệu mang Các tín hiệu mang đã được điều biến có tần số khác nhau nên

có thể pha trộn, xếp chồng thành một tín hiệu duy nhất có phổ tần trải rộng Tín hiệu này cuối cùng lại được dùng để điều biến một tín hiệu mang khác Tín hiệu thu được từ khâu này mới được truyền đi Phía bên nhận sẽ thực hiện việc giải điều biến

và phân kênh hồi phục các tín hiệu mang các nguồn thông tin khác nhau

Phương thức truyền tải dải rộng và kỹ thuật dồn kênh được dùng rộng rãi trong các mạng viễn thông bởi tốc độ cao và khả năng truyền song song nhiều nguồn thông tin Tuy nhiên, vì đặc điểm phạm vi mạng, lý do giá thành thực hiện và tính năng thời gian, truyền tải băng rộng cũng như kỹ thuật dồn kênh hầu như không đóng vai trò gì trong các hệ thống truyền thông công nghiệp

1.1.5 Đường truyền vật lý.

Mạng máy tính mạng công nghiệp là phương pháp tổ chức một tập hợp các - máy tính, các thiết bị tự động hoá được nối với nhau bởi các đường truyền vật lý theo một cấu trúc nào đó

Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu điện giữa các máy tính, giữa các thiết bị tự động hoá hay giữa các thiết bị trong mạng với nhau Các tín hiệu điện

đó biểu diễn các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân (on-off Tất cả các tín )hiệu được truyền đều thuộc một dạng sóng điện từ nào đó và mỗi loại sóng điện từ

có những thiết bị phương tiện truyền dẫn riêng

Khi xem xét lựa chọn đường truyền vật lý cần chú ý tới các đặc trưng cơ bản: dải thông (band width), độ suy giảm và nhiễu

Dải thông của một đường truyền chính là phạm vi tần số mà nó có thể đáp

ứng được Đối với cáp truyền dải thông của nó phụ thuộc vào độ dài Cáp ngắn nói chung có dải thông lớn hơn so với cáp dài Bởi vậy khi thiết kế cáp cho mạng phải

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

chỉ rõ độ dài chạy cáp tối đa, vì ngoài giới hạn đó chất lượng truyền tín hiệu không

còn được đảm bảo

Độ suy giảm là độ đo sự yếu đi của tín hiệu trên đường truyền Nó cũng phụ

thuộc vào độ dài cáp

Nhiễu: gây bởi điện từ bên ngoài làm ảnh hưởng đến tín hiệu trên đường

truyền

1.2 Cấu trúc của mạng (Topology):

Kiến trúc mạng (Network Architecture) thể hiện cách các máy tính, các thiết

bị tự động nối với nhau ra sao và tập hợp các quy tắc, các quy ước mà tất cả các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo cho mạng hoạt động tốt Cách nối này gọi là cấu trúc (topology) của mạng (hay là tôpô của mạng)

Có hai kiểu nối mạng chủ yếu là điểm - điểm (point-to-point) và quảng bá (point-to-multipoint):

- Nếu một mạng chỉ gồm hai nút được nối trực tiếp với nhau thì được gọi là mạng có cấu trúc điểm điểm - (point-to-point structure) Theo kiểu điểm điểm- thì các đường truyền nối với nhau và mỗi nút đều có trách nhiệm lưu trữ tạm thời sau

đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho tới đích

- Nếu một mạng gồm nhiều nút, liên kết với nhau theo kiểu quảng bá (Cấu trúc kiểu đường thẳng, vòng, hình sao, hình cây) thì tất cả các nút có chung một đường truyền vật lý Dữ liệu được gửi đi từ một nút nào đó sẽ có thể được tiếp nhận bởi tất cả các nút còn lại nên chỉ cần chỉ ra địa chỉ đích của ữ liệu để mỗi nút căn d

cứ vào đó để kiểm tra xem dữ liệu có phải dành cho mình không

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Hình 1.2: Cấu trúc point-to-multipoint tại Trung tâm điều độ

Hiện nay, các hệ thống SCADA/EMS của Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia (A0), HTĐ miền Bắc (A1), HTĐ miền Nam (A2) và HTĐ miền Trung (A3) đang thực hiện cấu trúc (point-to-multipoint) nếu xem xét kết nối giữa máy tính đầu cuối của các Trung tâm điều độ với các RTU tại các Trạm T500, T220,T110, T66 v.v Tương ứng với các dạng liên kết, có các dạng cấu trúc mạng cơ bản sau: 1.2.1 Cấu trúc bus

Cấu trúc kiểu đường thẳng là kiểu cấu trúc đơn giản nhất, cấu trúc này còn có tên là cấu trúc kiểu đường dẫn (bus structure), mặc dù không phải đường dẫn nào cũng là cấu trúc đường thẳng Tất cả các thành viên trong mạng đều phải có một điểm ghép nối vào mạng Nó có thể nối thông qua một đường dẫn ngắn để đến điểm dẫn chính Trong mạng này, nguyên tắc truyền thông được thực hiện như sau: ở tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được truyền dữ liệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền nhận, tín hiệu được truyền cả hai chiều của bus Đối với các bus một chiều thì tín hiệu chỉ đi về một phía Lúc đó các Terminator (thiết bị đầu cuối) phải được thiết kế sao cho các tín hiệu phải được dội lại trên bus

để có thể đến được các thành viên trong mạng Điều này là cần thiết để tránh các xung đột trên đường dẫn

Trong dạng bus tất cả các thành viên phân chia chung một đường truyền chính (bus) Đường truyền chính này được giới hạn bởi một loại đầu nối đặc biệt gọi là

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Terminator Mỗi thành viên được nối vào bus qua một đầu nối chữ T (T- connector) hoặc một bộ thu phát (Transceiver) Trong tôpô mạng dạng bus, dữ liệu được truyền dựa vào liên kết điểm nhiều điểm (point- -to- multipoin)

Trong các tôpô dạng bus, cần có một cơ chế “trọng tài” để giải quyết “xung đột” khi nhiều nút muốn truyền tin cùng một lúc Việc cấp phát đường truyền có thể

là “tĩnh” hoặc “động” Cấp phát tĩnh thường dùng cơ chế quay vòng để phân chia đường truyền theo các khoảng thời gian định trước, còn cấp phát động là cấp phát theo yêu cầu để hạn chế thời gian “chết” vô ích trên đường truyền

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

dẫn không cùng loại thì có thể phải dùng đến bộ chuyển đổi (Router, Bridge, Gateway)

1.2.4 Cấu trúc hình sao (star)

Hình 1.6: Cấu trúc ạng dạng sao mCấu trúc hình sao là cấu trúc trong đó có một nút quan trọng hơn tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng, được gọi là nút hay trạm chủ (Master)

Nếu như nút này bị hỏng thì sự truyền thông trong mạng cũng không thể tiếp tục được Tất cả các trạm được nối vào thiết bị trung tâm, thiết bị này có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển đến trạm đích của tín hiệu Vai trò thực chất của thiết bị trung tâm này là việc “bắt tay” giữa các trạm cần trao đổi thông tin với nhau, thiết lập các liên kết điểm điểm giữa chúng Ưu điểm của cấu trúc này là lắp - đặt đơn giản, dễ dàng thay đổi cấu hình (thêm, bớt trạm), dễ dàng kiểm soát và khắc phục sự cố Nhược điểm chủ yếu là độ dài đường truyền nối một trạm với thiết bị trung tâm bị hạn chế [6]

1.3 Các tiêu chuẩn thông tin trong hệ thống điện

Giao thức

Giao thức trong thông tin liên lạc và truyền thông, được hiểu là “các qu tắc y truyền dữ liệu” cho phép các máy tính hoặc các máy tính và các thiết bị đầu cuối (Remote Terminal Unit) trao đổi dữ liệu với nhau Không giống như “đối thoại” giữa con người, truyền dữ liệu không thể linh hoạt để cho phép những mệnh lệnh

Trạm 1

Bộ ghép nối hình sao

∗ Trạm 2 Trạm 3

∗

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

khó hiểu Bởi vậy, để thực hiện được việc trao đổi dữ liệu một cách chính xác, qui tắc liên lạc chính xác cũng phải được thiết lập Một qui chuẩn giao thức bao gồm các thành phần sau:

• Cú pháp (syntax): Quy định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi trao đổi, trong đó có phần thông tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ như địa chỉ, thông tin điều khiển, thông tin kiểm tra lỗi…

• Ngữ nghĩa (semantic): Qu định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một bức y điện, như phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục điều khiển dòng thông tin, xử lý lỗi…

• Định thời (timing): Qui định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền (đồng bộ hay không đồng bộ), tốc độ truyền thông…

1.3.1 Kiến trúc giao thức OSI

a Cơ sở về sự xuất hiện OSI

Vào năm 1984, Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Organization for Standardization) và Uỷ ban tư vấn về điện báo và điện thoại quốc

tế CCITT (International Telegraph and Telephone Consultative Committee) đã hợp tác khuyến nghị mô hình tham chiếu OSI (Open System Interconnection)

b Mô hình tham chiếu OSI

Đây không phải là một chuẩn thống nhất về giao thức, cũng không phải là một chuẩn chi tiết về dịch vụ truyền thông Chuẩn này không đưa ra bất kì một qu định y nào về cấu trúc một bức điện, cũng như không định nghĩa bất cứ một chuẩn dịch vụ

cụ thể nào OSI chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng như cơ sở cho việc phát triển các hệ thống mới

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

c Xây dựng các lớp

Theo mô hình tham chiếu OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thông được chia thành 7 lớp Với việc định nghĩa 7 lớp như vậy, OSI đưa ra một mô hình trừu tượng cho các quá trình giao tiếp phân cấp Nếu hai hệ thống thực hiện cùng các dịch vụ và trên cơ sở một giao thức giống nhau ở một lớp, thì có nghĩa là hai hệ thống có khả năng tương tác ở lớp đó [8]

Hình 1.7: Mô hình kiến trúc OSI

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Lớp ứng dụng (Application layer)

Lớp ứng dụng là lớp cao nhất trong mô hình tham chiếu OSI Nó cung cấp các dịch vụ ứng dụng cho các phương tiện truy nhập đến môi trường OSI để xử lý các ứng dụng trong hệ thống mở

Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation layer)

Khi có nhiều các định dạng khác nhau để thể hiện thông tin (mã ký tự, cách sắp xếp ) được trao đổi giữa các lớp ứng dụng, lớp biểu diễn dữ liệu sẽ cung cấp các dịch vụ nhằm chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn

Lớp phiên (Session layer)

Lớp phiên có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lý, kết thúc và thiết lập điểm đồng bộ trong dòng dữ liệu

Lớp vận chuyển (Transport layer)

Lớp vận chuyển có chức năng thiết lập kênh logic giữa các hệ thống đầu cuối, như giữa thiết bị đầu cuối và máy chủ, để lớp phiên ngay trên nó đảm bảo việc truyền dữ liệu qua các thủ tục dò tìm lỗi, phục hồi, và nâng cao độ tin cậy Lớp này cũng bù những sự khác nhau trong chất lượng kết nối mạng để cung cấp kết nối

ở lớp vận chuyển có chất lượng cao cho các lớp trên

Lớp mạng (Network layer)

Lớp mạng sử dụng các chức năng truyền dữ liệu giữa các nút kế tiếp do lớp liên kết dữ liệu cung cấp để thực hiện trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống đầu cuối Lớp mạng có bốn vai trò như sau:

• Ấn định hướng để chuyển dữ liệu tới

• Xác định kênh để gửi dữ liệu

• Truyền và chuyển tiếp dữ liệu

• Loại trừ sự khác biệt trong chất lượng dịch vụ mạng con (bởi một hệ thống

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

mạng diện rộng thường là sự liên kết của nhiều mạng con, tồn tại độc lập)

Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer)

Lớp này sử dụng các chức năng truyền và nhận các bit dữ liệu được cung cấp bởi lớp vật lý để thực hiện việc truyền và nhận dữ liệu với độ tin cậy cao Lớp liên kết dữ liệu bao gồm các chức năng sau:

• Truyền dữ liệu

• Xác nhận việc phân phối dữ liệu

• Xử lý khôi phục một lỗi được phát hiện ra

• Điều khiển luồng lưu lượng để điều chỉnh số lượng khung được truyền

Lớp vật lý (Physical layer)

Đây là lớp dưới cùng trong mô hình phân lớp chức năng Lớp này đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý Các qu định sau đây y

mô tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền thông:

• Các chi tiết về cấu trúc mạng (bus, cây, hình sao )

• Kỹ thuật truyền dẫn (RS-485, truyền cáp quang )

• Phương pháp mã hóa bit

• Chế độ truyền tải (dải rộng/dải cơ sở/dải mang, đồng bộ/không đồng bộ)

• Các tốc độ truyền cho phép

• Giao diện cơ học (phích cắm, giắc cắm )

1.3.2 Các chuẩn thông tin liên lạc

u CCho đến ngày nay, nhiề ông ty sản xuất các hệ thống tự động hóa đều cócác giao thức riêng, cụ thể:

Hãng ABB: LON, SPA Bus, IEC 60870 - 5 -103, 104

Hãng Siemens: Frofile Bus FMS, DNP 3.0, IEC 60870 - 5 -103, 104

Hãng Areva: K - Bus, DNP 3.0, IEC 60870 - 5 -103

Hãng SEL: UCA 2.0, DNP 3.0

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Theo xu hướng, ngày nay các nước Bắc Mỹ (Mỹ và Canada) sử dụng giao thức DNP 3.0 và UCA 2.0 (Utility Communication Architecture), đa số các nước còn lại sử dụng các giao thức chuẩn quốc tế IEC: như IEC 60870 - 5 -103, 104 và hiện nay là là giao thức cho hệ thống mở IEC 61850

- Theo quyết định số 1208/ QĐ EVN ngày 28 tháng 7 năm 2008 của Tập đoàn Điện lực Việt Nam về việc ban hành “Quy trình quản lý vận hành thiết bị SCADA của trạm biến áp và nhà máy điện”, các thiết bị điện trong trạm biến biến

áp tại Việt Nam sử dụng giao thức chuẩn quốc tế IEC và xu hướng hiện nay là lựa chọn giao thức mở IEC 61850

• Đang sử dụng trong các hệ thống điện và SCADA/EMS/DMS của EVN:

- IEC 60870-5-101: là giao thức truyền thông trong điều khiển từ xa

- IEC 60870-5-103: là giao thức truyền thông cho các thiết bị bảo vệ

- IEC 60870-5-104: là giao thức truy cập Ethernet(TCP/IP) cho IEC 608705-101

IEC 60870 6: là giao thức thông tin cho việc điều khiển từ xa của thiết bị

-và hệ thống

• Đang sử dụng trong các hệ thống SCADA/EMS/DMS của EVN để liên lạc giữa các Trung tâm điều độ:

- ICCP / TASE.2 (IEC 60870-6)

- DLMS – COSEM / IEC 62056 : giao thức thông tin phục vụ cho các thiết

bị đo lường

- MODBUS RTU / MODBUS TCP: giao thức thông tin liên lạc với RTUhoặc giao thức truyền thông truyền tải

- ABB SPA Bus là một giao thức chủ/tớ được dùng để giao tiếp với RTU

• Đang sử dụng trong các hệ thống RTU và tự động hóa Trạm của Trung tâm điều

độ A1:

- ABB RP570/RP571 là một giao thức thông tin hổ trợ cho chế độ chủ tớ

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

- Areva Courier là một giao thức truyền thông đơn chiều

- Altus Modbus Protocol là một chuẩn giao thức truyền thông thông qua cổng RS232

Hình 1.8: Các tiêu chuẩn thông tin liên lạc được sử dụng trong trạm

Hình 1.8 thể hiện các tiêu chuẩn có thể áp dụng cho thông tin liên lạc giữa các IEDs trong một trạm Ngăn bên trái thể hiện cấu trúc truyền thống, trong đó phần

xử lý (thiết bị đóng cắt, các máy biến áp đo lường) được nối qua các dây dẫn song song Ngăn bên phải nối các máy biến áp đo lường thông qua một liên kết điểm - điểm (point-to-point) và thông tin liên lạc với thiết bị đóng cắt qua một bus trạm Ngăn giữa sử dụng một bus xử lý, bus này có thể được nối với bus trạm qua một bộ lọc nhằm tránh việc các giá trị lấy mẫu đo lường làm tắc nghẽn bus trạm

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Hình 1.9: Các chuẩn thông tin liên lạc với bên ngoài trạm

Hình vẽ 1.10 thể hiện iêu chuẩn có thể phổ biến kiến trúc thông tin liên lạc tIEC 61850 được tạo ra để trở thành một tiêu chuẩn mang tính quốc tế trong thông tin liên lạc và tích hợp với khả năng xây dựng các hệ thống từ nhiều IEDs của các hãng khác nhau, phối hợp hoạt động để thực hiện các chức năng bảo vệ, giám sát, tự động hoá, đo lường và điều khiển

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Hình 1.10: Xu hướng chuẩn trao đổi thông tin hiện nay

1.4 Giao thức IEC 61850

1.4.1 Giới thiệu chung

Trên cơ sở kiến trúc truyền thông đa dụng UCA 2.0, từ năm 2003 tổ chức kỹ thuật điện quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) ban hành phiên bản đầu tiên về tiêu chuẩn truyền thông IEC 61850

Giao thức IEC 61850 đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển, tuy nhiên đối với hệ thống tự động hóa trạm ta có thể sử dụng các phần của tiêu chuẩn này để đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu hiện tại cho hệ thống tự động hóa trạm, cụ thể bao gồm các phần sau:

IEC 61850 - 1: Giới thiệu tổng quan về tiêu chuẩn

IEC 61850 - 2: Các thuật ngữ hay từ viết tắt

IEC 61850 - 3: Những yêu cầu chung

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

IEC 61850 - 4: Hệ thống quản lý và dự án

- IEC 61850 5: Những yêu cầu về thông tin cho các chức năng và cấu trúc thiết bị

- IEC 61850 6: Ngôn ngữ mô tả cấu hình cho thông tin trong các trạm có liên quan đến các IED

IEC 61850 - 7 - 1: Cấu trúc cơ bản cho thiết bị trạm và thiết bị ngăn lộ

- 7 - IEC 61850 2: Cấu trúc cơ bản cho thiết bị trạm và thiết bị ngăn lộ (giao diện dịch vụ thông tin kiểu dữ liệu trừu tượng)

- 7 - IEC 61850 3: Cấu trúc cơ bản cho thiết bị trạm và thiết bị ngăn lộ (các lớp dữ liệu chung)

- 7 - IEC 61850 4: Cấu trúc cơ bản cho thiết bị trạm và thiết bị ngăn lộ (các lớp nút logic và các lớp dữ liệu có thể tương thích)

Các chức năng thực hiện bởi Hệ thống ự động hóa trạm (SA

Automation) thông thường nói chung là điều khiển đóng cắt, giám sát dữ liệu, bảo vệ….Ở IEC 61850, các chức năng này được chia thành các cấp chức năng thấp hơn được gọi là chức năng con Mỗi chức năng con được thực hiện bởi các IED (Intelligent Electronic Device) lắp đặt trong trạm biến áp và mỗi IED có thể thực hiện một hoặc nhiều chức năng con Một tập hợp các chức năng con được tích hợp với nhau để tạo ra chức năng tự động hóa trạm biết áp Những giao tiếp với nhau thông qua mạng nội bộ LAN (Local Area Network) tại trạm biến áp Cụ thể cú pháp

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

và ngữ nghĩa được định nghĩa cho giao tiếp giữa các chức năng con Tất cả các chức năng con đã được tiêu chuẩn hóa trong IEC- 61850 [8]

1.4.2 Kiến trúc chức năng trong IEC 61850

Chức năng chính của hệ thống tự động hóa trạm (SA) bao gồm rất nhiều chức năng con mà gần như được khớp nối với nhau Các chức năng con được biết đến như là các nút Lôgic (LN) Các nút LN tại các IED được gọi là một thiết bị Lôgic (Logical Device - LD) Một thiết bị logic (IED) có thể có một hoặc nhiều nút Logic (LN1 và LN2) như hình 1.11

Hình 1.11: Kiến trúc chức năng trong IEC 61850 Một nút logic được thực hiện thông qua một lớp đối tượng, được gọi là lớpnút logic (ví dụ, XCBR là một lớp nút logic để theo dõi và vận hành của máy cắt )Một lớp nút logic bao gồm một tập hợp các dữ liệu thuộc lớp khác nhau Ví dụ, XCBR1.Pos.stVal đưa ra trạng thái đóng/mở của máy cắt "XCBR1" Các chức năng được chia ở ba cấp: Mức hiện trường, mức ngăn lộ và mức trạm [14]

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Hình 1.12: Các mức được phân chia trong mô hình thông tin

là Process level function: Chức năng của mức hiện trường chiết xuất thông tin từ các cảm biến / bộ biến đổi trong trạm biến áp và gửi lên cấp thiết bị bên trên, được gọi là cấp ngăn lộ Các nhiệm vụ chính khác của cấp hiện trường là nhận lệnh điều khiển từ cấp ngăn lộ và thực hiện nó

Bay level functions: Các chức năng của mức ngăn lộ là thu thập dữ liệu từ các ngăn lộ sau đó hoạt động chủ yếu trên các thiết bị ở mạch nhất thứ (mạch truyền tải công suất) Các khái niệm về ngăn lộ được thể hiện bằng vòng kín như ở hình dưới đây, chúng ta có 7 ngăn lộ (bay) từ 1 đến 7

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Hình 1.13: Khái niệm về ngăn lộ

là Thiết bị bảo vệ và thiết bị điều khiển thiết bị mức ngăn lộ, các thiết bị mức ngăn lộ thu thập các dữ liệu từ các các thiết bị cùng ngăn hoặc từ các ngăn lộ khác (dung cho các mạch liên động) và thực hiện các hoạt động trên thiết bị nhất thứ của chính ngăn lộ đó

Station level functions (các chức năng của mức trạm) có hai dạng:

Process related functions: hoạt động trên các dữ liệu từ nhiều ngăn lộ hoặc cơ sở

dữ liệu mức trạm Những chức năng được sử dụng để gửi các lệnh điều khiển đến các thiết bị nhất thứ (các máy cắt, dao c h lyác ) và thu thập dữ liệu trạm biến áp như điện áp, dòng điện, hệ số công suất, … từ các thiết bị cấp ngăn lộ

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Interface related functions: cho phép tương tác giao diện của hệ thống tự động hóa trạm tới giao diện với người điều hành HMI (Human Machine Interface), đến trung tâm điều khiển từ xa TCI (Tele Control Interface) hoặc đến trung tâm giám sát từ xa

để theo dõi, bảo trì TMI (Tele Monitoring Interface)

Tổng cộng có 90 nút Lôgic hoặc chức năng con được quy định tại IEC 61850

và tất cả chúng được phân phối tại các ba mức độ đã nêu trên tùy theo chức năng của chúng Các nút logic được kết nối với nhau thông qua các liên kết riêng ảo (còn gọi là liên kết logic) để trao đổi dữ liệu Một kết nối lôgic được thực hiện thông qua các liên kết vật lý Trong định nghĩa về tự động hóa trạm, liên kết vật lý giữa các IEDs được thực hiện thông qua các cáp nối Ethernet và cổng kết nối hệ thống máy tính (Network Switch), ở đó mỗi cổng hình thành nên một nút mạng [14]

1.5 Giao thức sử dụng cho việc truyền tin đi xa

Các giao thức được ứng dụng cho việc truyền thông tin đi xa trên thế giới hiện nay có thể kể đến: IEC60870-5-101/104, DNP3.0, Modbus Serial/TCP, ICCP/TASE.2 … Đối với Việt Nam tiêu chuẩn IEC60870-5-101/104 được lựa chọn

1.5.1 Giao thức IEC60870 -5 - 101

IEC60870-5-101 là một thành phần của tập hợp chuẩn IEC60870 5 được Ủy bao Kỹ thuật điện Quốc tế – IEC đưa ra nhằm thống nhất tiêu chuẩn về truyền dữ liệu trong hệ thống thông tin SCADA/DMS

-Chuẩn này ra đời năm 1995, mô tả chi tiết các chức năng trong quá trình điều khiển xa các thiết bị trong hệ thống SCADA/DMS nhắm đến các đối tượng trong ,

Hệ thống điện tuy vậy vẫn có thể sử dụng nó cho bất kỳ ngành công nghiệp nào[13]

Các mô tả của nó bao trùm các vấn đề:

• Tiêu chuẩn - Standards

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

• Mô hình hệ thống - System topology

• Cấu trúc thông điệp - Message structure

• Địa chỉ - Addressing

• Truyền thông điệp - Message transport

• Các chức năng mức ứng dụng và người dùng -

Application and user level functions

• Các đối tượng dữ liệu ứng dụng - Application data objects

• Liên động – Interoperability

Hình 1.14: Cấu trúc dữ liệu trong 1 thông điệp của IEC60870-5-101

1.5.2 Giao thức IEC60870 -5 - 104

IEC60870-5-104 hay là phiên bản mạng của IEC60870-5-101 (IEC60870

-5-101 network version) Trong giao thức này các quá trình ở mức thấp được thay thế hoàn toàn bằng giao thức TCP/IP, do vậy giao thức này có thể hoạt động trên LAN hay các mạng diện rộng WAN [13]

Hình 1.15: Ngăn xếp của giao thức IEC60870-5-104

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

• Trong chương này cũng đề cập đến những vấn đề cơ bản có liên quan đếnviệc truyền tin trong mạng truyền thông công nghiệp nói chung và phục vụ đo lường và điều khiển hệ thống điện nói riêng

• Với những ưu điểm của mình đặc biệt là tính năng mở, cho phép giao tiếp giữa các hãng sản xuất khác nhau, giao thức IEC 61850 đang được áp dụng ngày càng phổ biến tại nhiều nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, bên cạnh đó để truyền các tín hiệu từ các trạm 110kV tới các trung tâm điều kiển từ xa hoặc theo chiều ngược lại thường sử dụng tiêu chuẩn IEC 60870 - 101/104

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG SCADA VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Dữ liệu thời gian thực và sự cần thiết

Ngày nay điện năng đóng một vai trò hết sức to lớn trong sự phát triển của toàn bộ nền kinh tế quốc dân Những hậu quả gây ra do việc mất, ngừng trệ cung cấp điện không chỉ là vấn đề về kinh tế mà còn ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực quan trọng khác Vì vậy rất cần phải giữ cho nó hoạt động an toàn và ổn định

Trong phần lớn các trường hợp, các thiết bị bảo vệ và điều khiển hệ thống điện chỉ phản ứng theo những gì nó đã được thiết kế và lập trình từ trước Để có thể thích ứng với những tình huống thay đổi được, chúng phải được thiết kế để có thể hoạt động dựa trên thông tin thời gian thực từ các nguồn dữ liệu khác nhau Hiện nay, công nghệ trong thông tin liên lạc ệ thống điện thường chỉ dừng lại ở mức mạng hnội bộ, khu vực nhỏ, các tác động điều khiển chỉ dừng lại ở mức tại trạm biến áp hoặc các lộ đường dây một phần do sự hạn chế của năng lực về tốc độ, dải thông và

độ tin cậy của các kênh liên lạc

Hình 2.1: Chu trình đo lường, thông tin, vận hành hệ thống điện

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Hình 2.1 mô tả mối quan hệ giữa đo lường, thông tin và việc đưa ra quyết định vận hành hệ thống Các ứng dụng của dữ liệu thời gian thực có mặt từ trong những tác động điều khiển nhanh cho đến những chức năng nhằm lập kế hoạch mở rộng và quy hoạch ệ thống điện Với những thiết bị đo lường và bảo vệ rơle đạt được tốc h

độ cao, các tác động điều khiển trong thời gian thực sẽ đảm bảo cho hệ thống vận hành tin cậy khi sự cố xảy ra Cũng chính vì vậy việc thu nhập và truyền tải dữ liệu thời gian thực chính là chìa khoá cho sự vận hành tối ưu hoá ệ thống điện.h

2.2 Hệ thống quản lý mạng (Network Manager)

2.2.1 Khái niệm chung

Các hệ thống quản lý mạng trong Hệ thống điện cung cấp những nền tảng cơ

sở cho việc xây dựng các hệ thống quản lý và điều khiển các quá trình của ệ thống Hđiện Có thể kể đến: Hệ thống quản lý Năng lượng EMS (Energy Management System); Hệ thống tự động phân phối DA (Distribution Automation); Hệ thống giám sát điều khiển và thu nhập số liệu SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)

Hệ thống quản lý mạng cung cấp khả năng điều khiển trải rộng trên tất cả các quá trình sản xuất, truyền tải và mạng lưới phân phối điện năng Các hệ thống quản

lý SCADA/EMS/DMS có mặt trong hầu hết các trung tâm điều khiển Nó cho phép các trung tâm điều khiển kết nối với các trung tâm máy tính khác đồng thời tích , hợp các máy tính để phục vụ điều khiển tại các nhà máy điện và trạm biến áp Việc tích hợp giữa các hệ thống như vậy khiến cho việc truy nhập và tìm kiếm dữ liệu cần thiết trở nên hết sức nhanh chóng và dễ dàng Qua đó có thể giúp cho hệ thống điện vận hành an toàn và tối ưu

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

2.2.2 Hệ thống quản lý SCADA

Hệ thống SCADA được hình thành và phát triển cùng với sự phát triển chung của các ngành công nghiệp vi xử lý, viễn thông, tin học …từ những năm đầu thập niên 70 của thế kỷ 20, nền công nghiệp của các nước phát triển đi vào xu hướng tự động hóa Việc sản xuất thủ công được thay thế dần bằng các thiết bị máy móc tự động ở các xí nghiệp công nghiệp Bên cạnh đó ngành công nghệ thông tin, đặc biệt

sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực tin học công nghệ phần mềm, các hệ thống tự – động hóa điều khiển bằng chương trình phần mềm cũng ra đời Với những ưu điểm của mình, hệ thống SCADA được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ quản lý điều khiển trong sản xuất công nghiệp quy mô nhỏ đến quả lý truyền tải và phân phối điện năng trong ệ thống điện rộng lớn.H

Đối với Việt Nam, từ khi chuyển sang cơ chế thị trường mở cửa, các quá trình tự động hóa trong sản xuất được đầu tư và phát triển mạnh mẽ, các nhà máy và

xí nghiệp đều được ưu tiên về công nghệ sản xuất tiên tiến và hệ thống SCADA Đối với các nhà máy và trạm biến áp của hệ thống điện, hệ thống này được ứng dụng và triển từ đầu những năm 2000 tại các trạm biến áp 220kV, 500kV và các nhà máy điện công suất lớn

Hình 2.2: Các ứng dụng của SCADA

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Human Machine Interaction Tương tác người máy

Calculation & Reports Tính toán và báo cáo

Supervisory Control & Interlocking Giám sát điều k iển và liên độngh Monitoring & Event Processing Theo dõi và xử lý sự iệ k n

2.2.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống thu thập dữ liệu từ nhiều điểm đo khác nhau và tập trung chúng tới một trung tâm điều khiển Tại đây sẽ có nhiều chức năng điều hành được thực hiện Các chức năng điều hành chủ yếu dựa trên các mô hình hiển thị với mục đích cung cấp cho người vận hành (các kỹ sư điều hành hệ thống điện tại các trung tâm điều độ ) một cái nhìn tổng thể, chi tiết và chính xác về những gì đang diễn ra trên hệ thống

Phần lớn các hệ thống SCADA còn cung cấp cả chức năng cho phép điều khiển các đối tượng điện Nhân viên vận hành hệ thống có thể phát ra các lệnh điều khiển máy cắt (đóng/cắt), cho phép hoặc không cho phép thao tác tự động đóng lại, phát thêm công suất phản kháng hay là thực hiện các chức năng logic khác nhau (ví

dụ thay đổi nhóm giá trị đặt, settings group, của rơle bảo vệ)

Trên thực tế, các hệ thống SCADA có cấu trúc tương đối đa dạng, tùy vào từng ứng dụng cụ thể Tuy vậy, phần lớn các hệ thống SCADA đang được áp dụng trong hệ thống điện có cấu trúc kiểu Chủ/Tớ (Master/Slave) Trong đó, các SCADA servers (Master) thường là các máy tính hay một hệ thống máy tính chủ Còn các thiết bị hiện trường ở đây thường là RTUs, rơle bảo vệ hay các thiết bị điện tử thông minh IEDs [8]

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA bao gồm các thành phần chính là: MTU, RTU, các thành phần truyền

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

• MTU (Master Terminal Unit): Đây là trung tâm của một hệ thống SCADA, thực tế nó là một hệ máy tính công nghiệp MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền thông Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như màn hình, máy in, mạng truyền thông Nhiệm vụ của MTU:

- Cập nhật dữ liệu từ các RTU và nhận lệnh từ người điều hành

- Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU

- Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển

- Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống các thông tin khác

• RTU (Remote Terminal Unit) thu thập thông tin từ xa, thường đặt tại nơi

là việc để thu thập dữ liệu và thông qua các thiết bị hiện trường như các van, cảm biến, đồng hồ đo… gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết được trạng thái làm việc của các thiết bị trên hiện trường Mặt khác RTU nhận lệnh hay tín hiệu từ các MTU để điều khiển các thiết bị hiện trường làm việc theo yêu cầu Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu Tuy nhiên, với các RTU hiện đại ngày nay

có chứa các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp từ xa mà không qua MTU

• Khối truyền thông là môi trường truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng và phần mềm Phần cứng là các thiết bị kết nối như moderm, hộp nối, cáp truyền và các thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống kết nối không dây – wireless), các trạm lặp trong trường hợp truyền đi xa Phần mềm đó

là các giao thức truyền thông (Protocol), các ngôn ngữ lập trình được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau CPU của RTU nhận dữ liệu dạng nhị phân theo giao thức truyền thông Các giao thức này có thể là các giao thức mở như TCP\IP (Transmisson Control Protocol and Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Những luồng thông tin được tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giao thức

Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của phần cứng trung tâm

2.3 Hệ thống thông tin liên lạc SCADA

2.3.1 Cấu trúc mạng

Cấu trúc của các kênh thông tin liên lạc được sử dụng trong hệ thống SCADA

có thể là một trong số các kiểu như trình bày trong các hình vẽ dưới đây Các thiết

bị tại đặt tại trung tâm điều khiển chỉ là một ví dụ đơn giản Các trạm thao tác điều hành và trạm lập trình bảo dưỡng được kết nối tới máy tính chủ (server) Các máy tính chủ này lại được kết nối với các thiết bị xử lý đầu cuối (hay còn gọi là thiết bị tiền xử lý), trước khi được kết nối tới Modem Một vài trung tâm điều khiển nhỏ có thể kết hợp thiết bị xử lý đầu cuối với máy tính chủ

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Hình 2.4: Cấu trúc kiểu point - to - point Cấu trúc kiểu điểm điểm (point - – to – point) là đơn giản nhất tuy nhiên lại có chi phí tương đối tốn kém do việc phải sử dụng một kênh truyền cũng như các thiết

bị thông tin liên lạc riêng biệt cho mỗi một đối tượng

Hình 2.5: Cấu trúc kết nối nối tiếp

Trong cấu trúc kiểu nối tiếp (series), các RTUs hoặc thiết bị hiện trường có thể chia sẻ cùng một kênh liên lạc Nhưng điều đó sẽ làm ảnh hưởng đến hiệu quả cũng như tính linh hoạt trong hoạt động của hệ thống SCADA, số lượng đối tượng và phạm vi hoạt động bị hạn chế