Nghiên ứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp

Dựa trên mạng thơng tin điện lực, ngời ta đa ra các tiêu chuẩn chung tạo điều kiện phối hợp hoạt động giữa các thiết bị điện thông minh IEDs, các máy tính trạm và các thiết bị điều khi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP

NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ S Ố:

TÔ TUẤN ANH

Người hướng dẫn khoa học: GS.VS.TSKH TRẦ ĐÌNH N LONG

HÀ NỘI 2006

Mục lục

Trang

Mục lục……… ……… 1

Danh mục các hình vẽ, đồ thị……… ……… ………… 4

Lời nói đầu……… ……… 6

Chơng 1 Giới thiệu tổng quan về tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp 1.1 Tổng quan về hệ thống tự động điều khiển trong trạm biến áp… … 8

1.2 Hệ thống thiết bị……… ……… 10

1.3 Hệ thống dữ liệu ……… ……… 12

Chơng 2 Cấu trúc mạng thông tin điện lực 2.1 Giới thiệu 14

2.2 Mạng thông tin điện lực……… ………… 15

2.2.1 Sự xuất hiện và đặc điểm của mạng thông tin điện lực……… 15

2.2.2 Quá trình hình thành một hệ thống thông tin chuẩn hoá và thống nhất ……… 16

2.2.3 Thiết kế mạng hiện tại và tơng lai 19

2.2.4 Những vấn đề khác liên quan đến mạng thông tin điện lực… 21 …

2.3 Các chuẩn giao thức ……… ……… 26

2.3.1 Khái niệm……… ……… ……… 26

2.3.2 Lớp giao thức thông tin……… ……… 27

2.3.3 Giao thức OSI……… ……….29

2.3.4 Giao thức TCP/IP……… ………33

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

2.4 Các hệ thống thiết bị của mạng thông tin……… … 36

2.5 Liên kết thông tin giữa IEDs……… ……… 38

2.5.1 Khái niệm các dạng liên kết……… ………38

2.5.1.1 Liên kết hình sao……… ……… 39

2.5.1.2 Liên kết nhiều điểm……… ……… 39

2.5.2 Kết nối trong trạm điện……… ……… 44

2.5.2.1 Đặc điểm thông tin trong trạm điện……… … 44

2.5.2.2 Các thông số và đặc tính kỹ thuật của cáp nối EIA 232, EIA- -485 và cáp quang……… ……… .………… 45

2.5.2.3 ứng dụng của EIA 232, EIA 485 và cáp quang trong mạng - -cấu trúc hình sao và Bus……… ……45

Chơng 3 Hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp-SAs 3.1 Giới thiệu 49

3.2 Cấu trúc và các thành phần chính trong hệ thống SAS………… … 52

3.2.1 Khối điều khiển trung tâm 52

3.2.1.1 Bộ xử lý – CPU 52

3.2.1.2 Bộ xử lý thông tin MCP 56

3.2.1.3 Bộ xử lý thông tin cơ sở CP……… … 63

3.2.1.4 Khối vào ra I/O……… … …… 64

3.2.1.5 Bộ nhận tín hiệu thời gian……… 76

3.2.2 Máy tính kỹ thuật đặt cấu hình phần cứng cho SAS………… … .76

3.2.3 Giao diện ngời máy tại trạm……… ……… .83

3.2.4 Thiết bị điện thông minh IEDs……… ……… .83

3.2.4.1 Rơ le kỹ thuật số……… ……… 84

3.2.4.2 Công tơ điện tử nhiều biểu giá 87

3.3.1 Chơng trình khởi động và hoạt động của hệ thống khởi động… ……91

3.3.2 Quá trình truyền dữ liệu 93

Chơng 4

Đánh giá thực trạng SAS tại Việt Nam và các đề xuất

4.1 Thực trạng ứng dụng SAS trong các trạm biến áp từ 220kV

4.2 Triển vọng phát t riển Một số đề xuất……….115

Tài liệu tham khảo 117

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

DANH MỤC CÁC HèNH VẼ Hình 2.1 Trạm LAN và mức xử lý LAN

Hình 2.2 Thiết kế trạm thực tế với các ứng dụng mở rộng với kết nối ra bên ngoài – WAN, Internet

Hình 2.3 Nguyên tắc xử lý giao thức theo mô hình lớp

Hình 2.4 Giao thức OSI

Hình 2.5 Mạch vòng không tích cực

Hỡnh 3.1 Cấu trỳc của hệ thống SAS

Hỡnh 3.2 Bố trớ mặt trước của CPU

Hỡnh 3.3 MCP và cỏc modul cộng thờm

Hỡnh 3.4 Bố trớ mặt trước của MCP

Hỡnh 3.5 Modul cộng thờm XC2

Hỡnh 3.6 Modul cộng thờm XF6

Hỡnh 3.7 Bộ xử lý thụng tin cơ sở

Hỡnh 3.8 Nguyờn lý làm việc của một input

Hỡnh 3.9 Sơ đồ đấu nối của DI

Hỡnh 3.10 Sơ đồ đấu nối của AI 32 6MD1031 (Modul đầu vào tương tự trạng - thỏi tĩnh)

-Hỡnh 3.11.Sơ đồ đấu nối của AI 16 6MD1032 (Modul đầu vào tương tự - - rơle) Hỡnh 3.12 Nguyờn lý hoạt động của AI32

Hỡnh 3.13 Nguyờn lý hoạt động của AI16

Hỡnh 3.14 Sơ đồ đấu nối của CO-6MD1022

Hỡnh 3.15 Nguyờn lý hoạt động lệnh đầu ra của modul CO

Hỡnh 3.16 Sơ đồ đấu nối của modul CR 6MD1023

Hỡnh 3.17 Cụng cụ ặt cấu hỡnh SCđ

Hỡnh 3.18 Cấu trỳc của một dự ỏn

Hình 3.19 Cấu hình của khối iều khiển trung tâm đ – SC

Hình 3.20 Thư viện bộ điều khiển mức ng n ă

Hình 3.21 Ví dụ chức năng thông tin của bảo vệ khoảng cách

Hình 3.22 Thư viện iều khiển xađ

Hình 3.23 Chức năng CFC

Hình 3.24 Cấu trúc rơ le kỹ thuật số

Hình 3.25 Sơ đồ khối của công tơ điện tử nhiều biểu giá

Hình 3.26 Cấu trúc mở của hệ thống tự động và điều khiển

Hình 3.27 Truyền dữ liệu trong bộ xử lý thông tin

Hình 3.28 Dữ liệu thu được trong chế độ yêu cầu

Hình 3.29 Dữ liệu thu nhận trong chế độ hình ảnh

Hình 3.30 Nguyên lý hoạt động của đầu ra thông qua Modul CO

Hình 3.31 Nguyên lý hoạt động của đầu ra thông qua modul CO và DI

Hình 3.32 Nguyên lý hoạt động của đầu ra thông qua modul CO và CR

Hình 3.33 Nguyên lý hoạt động của đầu ra thông qua modul CO, CR và DIHình 4.1.Hệ thống thiết bị sơ ấ c p trạm với 01 máy biến áp 125MVA

Hình 4.9 Màn ình đ ều khiển phía 220kV h i

Hình 4.10 Màn ình đ ều khiển máy biến p AT1 h i á

H h ìn 4.11 Màn ình đ ều khiển ngăn lộ áy ắt òng phía 110kV h i m c v

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

Lời nói đầu

Cụng nghệ thụng tin và tự động hoỏ ngày nay được ứng dụng rộng i rótrong tất cả cỏc lĩnh vực của xó hội Khụng nằm ngoài tiến trỡnh phỏt triển đú,

Điện lực Việt Nam cũng ang cú những b ớc ti n mạnh mẽ, ặc biệt trong đ ư ế đviệc ứng dụng cụng nghệ thụng tin và tự ộng hoỏ vào việc iều hành, quản lý đ đ

và bảo vệ hệ thống điện Việt Nam

Hệ thống điệ gồ cỏc nguồn phỏt là cỏc nhà mỏy điện, hệ thống lưới n m truyền tải, hệ thống lưới phõn phối và cỏc phụ tải tiờu thụ điện, chỳng cú quan

hệ gắn bú với nhau thành một thể thống nhất, nếu bị phỏ vỡ ẽ xảy ra những shậu quả nặng nề cho toàn bộ hệ thống núi riờng và cho nền kinh tế núi chung Chớnh vỡ vậy đũi hỏi vấn đề quản lý, giỏm sỏt, điều khiển vận hành hệ thống

an toàn, tin cậy là hết sức cần thiết

Song song với sự phỏt triển của hệ thống điện hiện đại, cỏc thiết bị điện

cũng được chế ạo ựa tr t d ờn những cụng nghệ tiờn tiến, vấn đề quản lý, giỏm sỏt, điều khiển vận hành hệ thống điện khụng ngừng phỏt triển với sự trợ giỳp của cỏc thiết bị tự động, thiết bị truyền tin, thiết bị điều khiển từ xa, cỏc hệ thống t ự động iđ ều khiển, giỏm sỏt và bảo v h ệ ệ thống iđ ện

Hệ thống t ự động iđ ều khiển trạm biến ỏp khụng cũn là khỏi niệm mới

mẻ đối với cỏc kỹ sư, cỏn bộ kỹ thuật, sinh viờn…ngành H ệ Thống iĐ ện Vỡ

v ậy việc nghi n cứu ột ỏch chi tiết đặc đ ểm, cấu trỳcờ m c i và hoạt động ủa ệ c h thống n ày nhằm phục ụ cho việc ứng dụng chỳng trong thực tế là hết sức cần v thiết

Tờn luận văn : “ Nghiờn cứu h ệ th ống t ự động đ ều khiển và b v i ảo ệ trạm biến p ỏ - SAS ”

Luận văn được chia thành 4 chương :

Chương 1 giới thiệu m cột ách tổng qu v h át ề ệ thống ự động đ ều khiể t i n

và bảo vệ trạm biến p.á

Chương 2 đề cập đến những ấn đề ủa v c mạng ôth ng tin đ ện li ực, cácchuẩn giao thức, hệ thống thiết b mị ạng và kết nối ạng m

Chương 3 trình b chi tiết v h ày ề ệ thống ự động đ ều t i khiển và bảo v ệ

trạm biến p á - SAS, cấu trúc, các ành th phần v hoạt động ủa ASà c S

Chương 4 ương cuối cùng của luận v nch ă , đánh á gi thực ế qu trình ử t á s

dụng AS trong c trạm biến p tại phía ắc, cụ thể đối ới Trạm biến p S cá á B v á220kV Bắc Ninh và m s ột ố đề xuất

Kiến thức v c h ề ác ệ thống ự động đ ều khiển, b t i ảo vệ là rất rộng, thời gian làm việc cho một luận văn cao học tương đối ắn, do đó sẽ không tránh ngkhỏi thiếu sót trong luận văn này…R t ấ mong nhận được sự giúp đỡ, góp ý của các thầy, cô trong bộ môn Hệ thống điện - Trường ĐHBK Hà Nội và các bạn đọc trong và ngoài ngành điện

Tô Tuấn Anh

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

Chơng 1

Giới thiệu tổng quan về tự động điều khiển, bảo vệ

các TRạM BIếN áP hiện đại

1.1 Tổng quan về hệ thống tự động điều khiển trong trạm biến áp

Hệ thống tự động điều khiển trong hệ thống điện dựa trên cơ sở hệ thống truyền thông công nghệ số là kết quả của sự phát triển vợt bậc trong lĩnh vực tự động hoá

Dựa trên mạng thông tin điện lực, ngời ta đa ra các tiêu chuẩn chung tạo điều kiện phối hợp hoạt động giữa các thiết bị điện thông minh (IEDs), các máy tính trạm và các thiết bị điều khiển giám sát ở các cấp độ cao hơn, làm cho hệ thống bảo vệ, điều khiển và giám sát các hệ thống điện hiệu quả, tiết kiệm và có nhiều tiện ích hơn rất nhiều đặc biệt là vấn đề , dữ liệu

Trong hệ thống tự động điều khiển hệ thống điện nói chung phải kể

đến hệ thống tự động điều khiển trạm biến áp Nó đợc định nghĩa là giao diện với các thiết bị ngoài trạm và các thiết bị điện thông minh (IEDs) cho phép liên kết mạng và trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống, giữa những ngời sử dụng trong và ngoài trạm Một hệ thống tự động điều khiển trạm biến áp thờng bao gồm các phần tử chính sau đây :

Các thiết bị điện thông minh (IEDs) : Đây là các thiết bị sử dụng công nghệ

số Ưu điểm của chúng là rất lớn và u điểm lớn nhất là thông tin Trong các

trạm biến áp các IEDs thờng đợc sử dụng là các bảo vệ kỹ thuật số, các thiết

bị đo lờng kỹ thuật số, công tơ điện tử, transducer…

Các khối vào ra mức ngăn : Các thiết bị này làm nhiệm vụ liên lạc trực tiếp từ các thiết bị điện thông minh lên trên bộ xử lý trung tâm

Bộ xử lý chủ (trung tâm) tại trạm : Đây là giao diện liên lạc trung tâm và khối

xử lý mức ngăn (I/O hoặc Transducer) Bộ xử lý này hoạt động nh là một bộ

xử lý chủ tại chỗ để lu dữ liệu, tính toán, điều khiển, hiển thị các thông tin về trạm dới các khuôn dạng khác nhau trên giao diện ngời sử dụng tại chỗ (UI), cất giữ các thông tin cho công việc phân tích trong tơng lai và lu trữ các bản ghi

Mạng cục bộ tại trạm (LAN – Local Area Network) : LAN liên kết các phần

tử của hệ thống tự động điều khiển với các thiết bị điện thông minh (IEDs) Các giao diện của hệ thống liên lạc : Giao diện với các thiết bị điện thông minh IEDs của trạm nhằm dịch các thủ tục IED sang thủ tục chung của LAs N phục vụ các dịch vụ truy nhập, giao diện với hệ thống thông tin điện lực bên ngoài trạm Trao đổi thông tin với các hệ thống khác và ngời sử dụng từ xa cũng nh các kỹ s điều phối của các điều độ

Giao diện với ngời sử dụng (HMI) : Cho phép ngời vận hành trạm biến áp truy nhập, phát triển và bảo dỡng hệ thống dữ liệu và thực hiện các thao tác

điều khiển cũng nh ghi nhận các sự kiện, sự cố của thiết bị điện trong trạm Tính tự động của hệ thống trên đợc thể hiện ở các khả năng sau :

- Bảo vệ hệ thống điện

- Ghi chụp sự cố chỉ thị sự cố,

- Đo lờng các giá trị

- Điều khiển thiết bị theo các vị trí : tại chỗ, tại bảng điều khiển, tại trạm

và từ xa

- Tự động đa bảo vệ vào làm việc hoặc tách ra

- Giám sát liên động, điều khiển quá trình

- Đồng bộ thời gian của IEDs

- Phân tích định kỳ thiết bị

- Hiển thị các điều kiện làm việc của thiết bị

- Chỉ thị h hỏng máy cắt và giải trừ

- Tự động đóng lặp lại

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

- Mở rộng hệ thống

- Tự động dự phòng hệ thống điều khiển và hệ thống thông tin

- Ghi các sự kiện tuần tự

- Truy cập vào ra (Dial in/out)

- Cảnh báo

1.2 Hệ thống thiết bị

Quan điểm phân chia hệ thống thiết bị trong hệ thống điều khiển trạm biến áp có thể dựa vào vai trò và hoạt động xử lý trong sơ đồ, thể hiện tổng quát qua các mục dới đây :

Mức xử lý (Process level) : Đây là mức thấp nhất của hệ thống, thiết bị ở

mức này là các phần tử kết nối vật lý trực tiếp với hệ thống điện lực và để biến

đổi các giá trị tức thời Nó bao gồm các máy biến dòng điện (CTs), các máy biến điện áp (VTs), nhiệt điện trở (RTDs), các transducer và nhiều bộ sensor biến đổi từ đại lợng này sang đại lợng khác…Các bộ biến đổi trong mức xử

lý sẽ biến đổi các đại lợng đầu vào chuẩn 5(1)A, 57.7(63.3)V thành các đại lợng đầu ra ở mức chuẩn khác nh 0-10V, 4-20mA…

Mức thiết bị (Unit level) : Mức kế tiếp bao gồm các thiết bị, nhóm hoặc khối nhiều thiết bị thông minh – IEDs, để tạo ra các thông tin và tác động qua lại Chẳng hạn nh các thiết bị điện, máy cắt và các thiết bị đi kèm theo

nó IEDs củ hệ thống điện bao gồm : Thiết bịa đo lờng, rơle bảo vệ, bộ ghi sự

cố, chuyển nấc máy biến áp (OLTCs) , điều khiển công suất, khối nối ghép từ

xa (RTU – Remote Terminal Units), bộ điều khiển lập trình đợc (PLCs – Programmable Logic Controller)…Ví dụ RTU là thiết bị thu thập thông số, dữ liệu và chuyển đến một thiết bị ở xa khác mà không cần thiết phải xử lý sâu hơn Thiết bị PLC nh là một bộ RTU nhng lại còn có khả năng thực hiện

việc xử lý thông số để tạo ra dữ liệu thông tin Ngày nay đã có sự kết hợp với

bộ “smart RTU” tơng tự nh PLC giống nh các thiết bị với các chức năng

mở rộng

Mức Trạm (Station Level) : Bộ điều khiển trạm thực hiện việc thu thập dữ

liệu và điều khiển của IEDs và bộ I/O, RTUs, PLCs khối điều khiển và phần mềm giao tiếp ngời – máy (HMI – Human Machine Interface) chạy trên các máy tính có khả năng điều khiển trạm

Ngoài ra phải kể đến những lớp chơng trình phần mềm tơng thích ở mỗi mức, đợc thiết kế kèm theo mỗi thiết bị, phục vụ nhiều mục tiêu, với khả năng và phạm vi hoạt động tơng ứng

Các thiết bị tự động điều khiển hệ thống điện phát triển mạnh về công nghệ sản xuất và tính năng tác dụng Đặc biệt nhất phải kể đến thế hệ rơ le kỹ thuật số

Rơ le số đa chức năng đã phát triển hơn 10 năm qua là lựa chọn phổ biến khi thiết kế một hệ thống bảo vệ và điều khiển mới để thay thế dần các hệ điện cơ và các thành phần cơ khí trong rơ le và hệ rơ le

Có nhiều lý do để đa rơ le kỹ thuật số trở thành xu hớng sử dụng phổ biến : Giá thành tơng đối rẻ, dễ sử dụng, nhiều chức năng, linh hoạt Nhng …một u điểm nổi bật nhất của rơle số so với các thế hệ trớc nó chính là khả năng thông tin Rơ le số có thể làm việc với thời gian thực, có thể tự ghi lại các thông tin về quá trình hoạt động của chúng, về chất lợng điện năng, hệ thống bảo vệ điều khiển Các dữ liệu đó bao gồm :

- Chỉ thị sự cố và dạng sự cố

- Ghi các giá trị dòng áp trớc, đang và sau sự cố

- Các trạng thái đầu vào và ra của rơ le

- Giá trị đo lờng tức thời và đỉnh

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

- Dữ liệu làm việc của máy cắt : số lần đóng cắt, thời điểm đóng cắt

- Thiết bị : Cung cấp dữ liệu ở dạng Analog và các trạng thái rời rạc Có thể

kể ra một số dạng điển hình của dạng dữ liệu này là dòng điện, điện áp, tần số, giá trị điện trở, điện kháng, chỉ thị nấc phân áp của máy biến áp… Các dữ liệu này đợc đa vào các bộ biến đổi chuyển chúng thành các tín hiệu số

Mức xử lý Mức thiết bị Mức trạm Mức điều độ

- Bảo vệ : Các dữ liệu bảo vệ đợc thu thập trực tiếp từ các tín hiệu analog

đa vào các rơ le số biến đổi theo nguyên tắc và thuật toán cụ thể, thực hiện chức năng phân tích, thực thi các chức năng bảo và đa ra các dữ liệu bảo vệ

- Hiển thị : Các dữ liệu hiển thị đợc tính toán và thể hiện từ tín hiệu analog, mô phỏng hoạt động hệ thống điện, sử dụng cho nhiều mục đích nh bảo vệ,

đo lờng, điều khiển và thu thập dữ liệu

- Giám sát : Các dữ liệu theo dõi hoạt động của các rơ le tại chỗ hoặc từ xa thông qua kênh thông tin Để có thể xử lý thông tin nhanh chóng hiệu quả các quyết định trên toàn hệ thống hoặc trên một thiết bị nào đó trong hệ thống bảo

vệ

- Thiết bị phân tích : Thiết bị sử dụng tham số của hệ thống điện và hệ thống thiết bị trong hoạt động tự phân tích, tự kiểm tra, để nâng cao tối đa khả năng bảo vệ của hệ thống, ngăn chặn h hỏng có thể xảy ra trong tơng lai

- Dữ liệu quá trình : Tập hợp các thông tin về quá trình hoạt động của hệ thống điện và hệ thống thiết bị qua các bản ghi bao gồm : dữ liệu hệ thống, bản ghi sự kiện, bản ghi tuần tự sự kiện (SER), bản ghi về chất lợng điện năng và chất lợng của hệ thống bảo vệ, nhằm mục đích cung cấp bức tranh rõ ràng về hoạt động của hệ thống

- Giá trị chỉnh địn : Tập hợp giá trị dữ liệu đợc tính toán bởi các trung tâm h

điều độ lới điện, đa ra các giá trị chính xác chức năng bảo vệ cho từng đối tợng trong hệ thống điện (Các giá trị ngỡng tác động) và đợc cài đặt trong các rơ le bảo vệ

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

Trớc hết ta cần phân biệt giữa hệ thống viễn thông và mạng thông tin

sử dụng trong công nghiệp :

- Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lợng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng thời gian thực…) rất khác, cũng nh các phơng pháp truyền thông tin của mạng viễn thông phức tạp hơn nhiều so với mạng thông tin sử dụng trong công nghiệp

- Đối tợng của mạng viễn thông bao gồm cả con ngời và thiết bị kỹ thuật, trong đó con ngời đóng vai trò chủ yếu Vì vậy các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh , văn bản và dữ liệu Đối tợng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công

nghiệp, nên dạng thông tin đợc quan tâm duy nhất là dữ liệu Các

kỹ thuật và công nghệ đợc dùng trong mạng viễn thông phong phú hơn rất nhiều trong mạng công nghiệp

Mạng thông tin đợc biểu hiện là sự hoà nhập, giao tiếp trao đổi dữ liệu giữa hai đối tợng với nhau, hay của một đối tợng và một hệ thống lớn Với những thành tựu đạt đợc trong công nghệ thông tin, sự phát triển nhanh chóng của Internet… khái niệm đối tợng và hệ thống ở đây đã đợc mở rộng

ra, không có giới hạn từ một phần tử, thiết bị riêng lẻ với một hệ thống lớn nh một trạm điện, nhà máy điện lớn, hệ thống quốc gia,… và có thể thực hiện

đợc trong một môi trờng thông tin riêng (mạng cục bộ, ngôn ngữ riêng)

đang ngày càng phổ biến hoặc trong môi trờng thông tin chung, trong phạm

vi một trạm biến áp, nhà máy công nghiệp, thậm chí có tính chất toàn cầu bao gồm cả khái niệm không gian thực và thời gian thực

2.2 Mạng thông tin điện lực

2.2.1.Sự xuất hiện và đặc điểm của mạng thông tin điện lực

Mạng thông tin trong hệ thống điện trớc đây đợc khai thác trong một phạm vi hẹp nh mạng điện thoại cục bộ của Ngành, thực hiện chức năng bảo

vệ, điều khiển sử dụng kênh thông tin khá ít ỏi: bảo vệ cao tần, bảo vệ cắt liên

động và bảo vệ so lệch dọc đờng dây…

Những tiến bộ vợt bậc của công nghệ thông tin cuối thế kỷ 20, cộng với những đòi hỏi ứng dụng ngày càng cao của ngời sử dụng làm cho mạng thông tin điện lực ngày càng mở rộng và đa dạng : đờng điện thoại viễn thông, cáp quang, kênh cao tần PLC, mạng sóng vô tuyến FM Những thành tựu đạt đợc (thông tin trong trạm, từ cấp trạm đến cấp điều độ miền, trên cơ

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

sở khai thác các ứng dụng SCADA, EMS, DSM hoặc các ứng dụng văn phòng nh truy nhập lấy số liệu từ Internet, hệ thống trực tuyến với mạng Internet… phụ thuộc khả năng khai thác của ngời ding ) đã mở rộng phạm vi về không gian và phạm vi quản lý khi có ngày càng nhiều đối tợng tham gia vào mạng lới thông tin Do vậy, một trong các yêu cầu chính đặt ra là phải có một cách giao tiếp chung cho tất cả các đối tợng tham gia thông tin

2.2.2.Quá trình hình thành một hệ thống thông tin chuẩn hoá và thống nhất

Vào những năm 60 của thế kỷ trớc, IEC (International Electrotechnical Committee) và TC57 (Technical Committee) đã đợc thành lập do đòi hỏi phải có một tiêu chuẩn quốc tế trong lĩnh vực thông tin giữa các thiết bị và hệ thống trong lĩnh vực thông tin điện lực: Telecontrol điều khiển -

từ xa, Teleprotection – bảo vệ từ xa và các ứng dụng của công nghệ thông tin trong hệ thống điện nh giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA), quản lý hệ thống năng lợng (EMS), quản lý nhu cầu điện năng (DSM), tự

động hệ thống phân phối (DA)

Việc nối ghép giữa các thiết bị điều khiển để tích hợp thành hệ thống

đòi hỏi thiết bị và hệ thống phải có khả năng kết hợp với nhau, các nối ghép, các giao thức và định dạng dữ liệu cần thiết phải tơng thích để đáp ứng các mục tiêu trên

Viện công nghệ thông tin Bắc Mỹ (UCA) đã bổ sung các chuẩn ghépnối, chuẩn giao thức và dạng dữ liệu Nó hoàn thiện thêm những yêu cầu của việc phát triển hệ thống thông tin điện lực và IEC TC57 đã chấp nhận chúng nh là một tập con của chuẩn IEC – 61850 hiện đang phát triển

– Viện nghiên cứu Điện lực (EPRI Electric Power Research Institute)

đã đa ra vấn đề này từ năm 1970 để phát triển công nghệ thông tin trong

ngành điện Từ những năm 80, EPRI đã nhận thấy lợi ích khi thống nhất phơng pháp thông tin của tất cả các nhà sản xuất hiện tại Họ đã thảo luận để tạo điều kiện dễ dàng khi kết hợp một số lớn chủng loại thiết bị và hệ thống, t vấn cho các mục đích quản lý và điều khiển thông tin tới tất cả các tổ chức làm việc trên cùng lĩnh vực

Nhiều chơng trình dự án đợc tiến hành và hầu hết thiết bị bảo vệ, IEDs đợc sản xuất theo tiêu chuẩn của UCA đều tỏ ra rất có hiệu quả khi chúng nối mạng thông tin

Một đòi hỏi cụ thể là thực hiện chuyển những thông báo nhanh giữa các IEDs với đơn vị thời gian “ms” khi phát hiện có sự cố trong hệ thống điện vì

nó liên quan đến tính điều khiển tức thời (tính tác động nhanh) trong hệ thống truyền dữ liệu Do vậy, mạng LAN (Local Area Network) đã đợc sử dụng trong trạm điện thay cho một khối lợng đấu dây lớn giữa IEDs và các thiết bị sơ cấp

Một đặc điểm khác khi áp dụng quản lý theo các lớp thông tin

(Communications Layer) nhằm đáp ứng những yêu cầu rộng hơn cho điều khiển trạm

Giữa năm 1996, sau quá trình nghiên cứu chi tiết đợc tiến hành với sự giúp đỡ của EPRI, UCA đã lần đầu tiên công bố việc lựa chọn ra những lớp cụ thể và tạo ra những luận chứng có tính hệ thống

Dự án này đã xác định ra những chuẩn để các hệ độc lập và cạnh tranh nh thế hệ Rơle, thiết bị đo, điều khiển giao tiếp với ngời sử dụng và các hệ IEDs khác nhau có thể liên kết thông tin khi sử dụng mạng LAN cho tất cả các hoạt động điều khiển

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

Với sự liên tục hỗ trợ của EPRI, đã có một bảng danh sách dài các rơle, dụng cụ đo, IEDs của các nhà sản xuất tuân thủ theo tiêu chuẩn sản phẩm của UCA Các nhà sản xuất đã nhận thức ra tầm quan trọng của việc liên kết và thống nhất trong thông tin, nhng sản phẩm và thiết kế của từng nhà sản xuất vẫn mang đặc thù riêng, đó chính là cốt lõi của tính cạnh tranh

Đề cập lại tiêu chuẩn IEC 61850 đã nêu ở trên, do yêu cầu của ngời dùng những năm 80, IEC của Châu Âu đã tạo ra bộ chuẩn thông tin IEC

60870 5.-

Năm 1995, IEC đã đa ra một dự án mới, dùng 61850 để xác định thế

hệ tơng lai của thông tin trong bảo vệ và điều khiển trạm tốc độ cao Mục tiêu chính cũng giống nh EPRI là sẽ có nhiều nhà cấp hàng và cùng các tiện ích

trong ứng dụng để xác định một cơ sở hạ tầng thông tin trong điều khiển và giám sát trạm biến áp Thế hệ chuẩn này sẽ đảm bảo tính mở khi kết hợp đợc

nhiều thế hệ IEDs của nhiều nhà sản xuất, tránh xây dựng những hệ thống khép kín, trọn gói không tơng thích Tổ chức dự án IEC với nhiệm vụ tạo ra

bộ chuẩn thông tin, tập trung dới TC57 (Technical Committee 57), Teleprotection và Power System Control Các tổ công tác của nó bao gồm (WG – Working Group) 10, 11, 12 đã đợc trao từng phần nhiệm vụ IEC

61850 nh : WG10 – chức năng, cấu trúc thông tin và các yêu cầu chung; WG11 – thông tin trong và giữa các khối (Units) và mức trạm (Substation Levels); WG12 – thông tin trong quá trình xử lý (Process) và các mức khối (Unit Levels)

Tháng 10 năm 1997, tại E-đin-bớt TC 57 WG10-12 đã nhóm họp và đa

ra thoả thuận: chỉ phát triển một bộ chuẩn cho tự động trạm để tiến tới hợp

nhất Bắc Mỹ và Châu Âu Một phơng án khả thi nhất là xây dựng và hoàn thiện UCA, dĩ nhiên 61850 chiếm phần lớn của UCA và sẽ đợc tiếp tục thực

hiện, cải tiến và trao đổi để tạo ra một bộ chuẩn có phơng hớng và tham số bao quát trên thế giới

Khả năng thu thập dữ liệu và điều khiển trong cấu trúc của thông tin có thể tạo đợc từ mỗi IED trong trạm điện Phát triển công nghệ thông tin – IT (Information Technology) đang mang lại hiệu quả to lớn về khả năng, quy mô

và giá thành Các sản phẩm đã đợc đa vào và đang đợc cải tiến tạo ra mạng LAN trong trạm điện

2.2.3 Thiết kế mạng hiện nay và trong tơng lai

Nhà sản xuất thờng phát triển sản phẩm của mình theo yêu cầu có tốc

độ nhanh hơn, tính bảo mật cao hơn, thiết kế mạng thông tin tin cậy hơn Hớng phát triển này chắc chắn sẽ đem lại hiệu quả lớn với một mạng tốc độ cao, nhng có thể xảy ra khả năng không cho phép thực hiện nhiều kết nối

Nh đã phân tích ở trên, nhiều khách hàng khai thác dữ liệu Rơle theo nhiều mục đích, chức năng khác nhau, do vậy yêu cầu có nhiều tốc độ truyền,

đòi hỏi tính tin cậy khác nhau Một mạng truyền dữ liệu thích ứng với tất cả các loại Rơle cần đáp ứng các yếu tố:

Tốc độ: Khi hệ thống không thể dự đoán đợc dạng của dữ liệu truyền

đi, nó cần truyền đi tất cả dữ liệu với tốc độ cao, chẳng hạn dữ liệu cho bảo vệ

hệ thống điện cần đợc truyền đến điểm nhận trong khoảng 1-12ms Xử lý dữ liệu bảo vệ hệ thống điện còn đòi hỏi dữ liệu đợc truyền đi với tần số đặc biệt, hoặc xác định theo chuẩn chung Tính toán chi tiết có thể biết khoảng thời gian một dữ liệu truyền đi trong mạng Nhng đối với một mạng nhiều điểm không thể xác định rõ thời gian từ thiết bị này đến thiết bị kia bởi vì mỗi thiết

bị đã đợc phân chia thời gian cho phép truyền tin Về cơ bản, mỗi thiết bị cần phải chờ đến khi mạng ở trạng thái đợi để truyền tin Có khả năng nhiều thiết

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

bị sẽ nhận thấy rằng mạng đang đợi và tham gia truyền ngay tức thời, đó là nguyên nhân gây ra dữ liệu bị xung đột nhau Phơng pháp truy cập CSMA/CD (Carrier Sense Multiaccess with Collison Detection) cho phép xử lý mỗi IED đều có thể truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào và có thể phục hồi từ dữ liệu bị xung đột Tóm tắt phơng pháp này nh sau:

Mỗi IED đều phải nghe đờng dẫn (carriersense), nếu đờng dẫn rỗi (không có tín hiệu) thì mới phát

Tín hiệu lan truyền cần có thời gian nào đó, nên vẫn có khả năng hai trạm cùng phát tín hiệu lên đờng dẫn Chính vì vậy khi phát mỗi trạm vẫn phải nghe đờng dẫn để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận đợc có xảy

ra xung đột hay không (collision detection)

Trong trờng hợp có xung đột, mỗi trạm đều phải huỷ bỏ bức điện của mình, chờ một thời gian ngẫu nhiên để gửi lại

Ưu điểm của CSMA/CD: đơn giản, linh hoạt Nó mang tính chất của một hệ mở, việc ghép thêm hay bỏ đi trạm trong hệ thống điện cũng không

ảnh hởng gì, tính chất này đợc áp dụng rộng rãi trong mạng Internet

Nhợc điểm của nó là: tính bất định của thời gian phản ứng, các trạm

đều bình đẳng nhau trong quá trình chờ nên quá trình chờ có thể lặp đi lặp lại, không xác định tơng đối chính xác thời gian Hiệu suất sử dụng đờng truyền thấp khoảng 15% khả năng của mạng Rơle bảo vệ, IEDs cần có khả năng xử

lý dữ liệu đủ nhanh để truyền Một số rơle ngày nay đã đủ khả năng này, thực hiện xử lý dữ liệu cho thông tin đa mục đích với thời gian khoảng 300 đến 700ms Chính vì thế mặc dù một số rơle có thể nối mạng với tốc độ cao, nhng tốc độ truyền đến trạm tới sẽ chậm hơn tốc độ định mức

Độ tin cậy: là yêu cầu bắt buộc trong hệ thống rơle bảo vệ, tự động và dữ liệu điều khiển Do vậy, yêu cầu mạng nhiều điểm phải truyền tất cả dữ liệu với cùng một độ tin cậy nh đối với dữ liệu bảo vệ Nh đề cập ở trên, dữ liệu trong mạng này phải có địa chỉ tại đầu mỗi đoạn thông tin (form) Điều này thể hiện một mâu thuẫn mang tính truyền thống trong thiết kế giữa độ tin cậy

và tốc độ Việc giới hạn tối đa kiểu truyền dữ liệu bảo vệ theo peer- -to peer, khi

đó độ tin cậy tại phần cứng cấp trạm sẽ không đợc nh mạng thông tin

Giá thành: Nhiều nhà sản xuất giới thiệu các giao thức khác có thể sử

dụng đợc trong một mạng Ethernet Tính phổ biến của Ethernet đã đợc hỗ trợ bởi các phụ kiện có sẵn trong máy tính văn phòng với giá thành không cao lắm Tuy nhiên các thiết bị đợc tin cậy dựa trên máy tính, CPU thực hiện các

xử lý thông tin phức tạp dần đợc chấp nhận ứng dụng trong rơle bảo vệ Trong kết nối Ethernet sẽ phải hỗ trợ bằng các bộ xử lý độc lập và không chỉ dựa trên một hình thức bảo vệ tức là phải xây dựng các hình thức bảo vệ dự phòng

Thông số mạng: Mạng sẽ cho phép một rơ le nối ghép đợc thực hiện

chuyển mọi dạng dữ liệu Nếu mạng cấp cao hơn bị h hỏng, việc truyền tất cả các dạng dữ liệu sẽ ngừng lại Nh vậy việc phát triển phần cứng thông tin tại cấp trạm là cần thiết, phản ánh xu hớng điều khiển phân tán

2.2.4 Những vấn đề khác liên quan đến mạng thông tin điện lực

2.2.4.1 Trạm và xử lý LAN (Station and Process LAN)

Ta cần quan tâm hai khái niệm riêng biệt trong môi trờng làm việc chuẩn của LAN trạm: Trạm LAN và xử lý LAN

Trạm LAN nối tất cả các IEDs đến một điểm khác nhau theo đờng truyền Sau đó có thể nối tất cả các thiết bị khác phạm vi ngoài trạm theo một

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

mạng mở rộng WAN (Wide Area Network) Bus trờng có nhiệm vụ chuyển thông tin của hệ thống điện về nhng cha đợc xử lý, biến đổi (nh các mẫu dòng, áp và trạng thái thiết bị của trạm) phân phối đến các Rơle hoặc IEDs có khả năng xử lý dữ liệu Các Rơle hoặc IEDs này sẽ đa ra quyết định.

BKhi đa trách nhiệm xử lý ở mức độ nào đó trên us, nhiều nhà sản xuất

đã đa ra bộ DAUs (data acquistion units) đợc cấu tạo trên cơ sở vi xử lý, nó làm việc với các thông số của CTs, VTs và tín hiệu trạng thái, sau đó hớng của dữ liệu theo đờng thông tin đến các IEDs, thay thế việc đấu dây truyền thống Đặc biệt, khi sử dụng đờng truyền dữ liệu bằng cáp quang, sẽ tạo đợc cách ly giữa DAUs và IEDs về phơng diện nguồn cấp và cấp điện áp làm việc

Xử lý LAN hỗ trợ riêng cho DAUs ví dụ: một CTs nối ến DAU qua xử

lý LAN có thể cấp dữ liệu đến nhiều IEDs, chẳng hạn là các Rơle bảo vệ số

Xử lý LAN hỗ trợ cho việc nhận thông số của DAUs từ tín hiệu trạng thái của các tiếp điểm thiết bị thi hành nh máy cắt, dao cách ly… và các khối hợp nhất Mus (merging units) Khối dữ liệu hợp nhất này tổ hợp từ nhiều thiết bị nh CTs, VTs, Sensors…

Có thể tổng hợp trạm và xử lý LAN trên lớp vật lý của cấu trúc mạng thông tin

Thông tin peer to peer thực hiện qua đấu nối vật lý trực tiếp hoặc theo đờng trực tiếp ảo khi qua mạng đấu nối đa điểm Hình 2.1 minh hoạ hai dạng của trạm và xử lý LAN

Hình 2.1 Trạm LAN và mức xử lý LAN

Tối u hoá giữa tính tin cậy và tốc độ sẽ tạo ra một mâu thuẫn trong thiết kế trạm LAN Tốc độ đặc biệt quan trọng cho các chức năng thuật toán truyền thống phức tạp để bảo vệ HTĐ, chức năng kiểm tra đồng bộ và tạo thời gian đồng bộ cho đồng hồ IEDs đợc kết nối trên cùng một phân đoạn độc lập (Segment) LAN Mặt khác, nếu thiết kế thêm một hệ thống dự phòng

Mức xử lý LAN Process LAN

Bảo vệ chính Feeder 2

Bảo vệ chính Feeder 2

Dao cách

ly Feeder 2

Máy cắt

Feeder 2

Khối hợp nhất Feeder 2

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

(Redundant) sẽ tăng độ tin cậy của sơ đồ thông tin, nh thế sẽ không có điểm

đơn nào bị sự cố

Sự cố có thể là do nguyên nhân bộ nối ghép IED bị h hỏng hoặc một

đờng truyền trên mạng bị ngắt Sự cố “mất dữ liệu lan truyền” (broadcast data storm) của Ethernet đợc coi là sự cố lớn nhất, nó xảy ra khi nối ghép vào mạng Ethernet một thiết bị h hỏng, hậu quả sẽ làm kéo theo ngắt các thông báo (message) thông tin với dữ liệu bất kỳ của IED khác Các cổng (Switchs)

và đờng truyền (Router) có thể ngăn cản sự cố này bằng việc đảm bảo liên lạc thông suốt trên một phân đoạn (segment) khác của mạng, nhng sẽ không có dữ liệu thu đợc trên segment bị hỏng Mạng với các nút mạng (Hubs) sẽ nối tắt qua thiết bị sự cố này duy trì thông tin khi đợc nối đến segment khác ,

Nh vậy, các vấn đề đặt ra để có một thiết kế hài hoà là: thiết kế các phân đoạn LAN độc lập cho bảo vệ, các hệ thống dự phòng cho độ tin cậy, các khối LAN đơn với tốc độ cao Đánh giá thiết kế theo mỗi yêu cầu sẽ đợc cân bằng giữa giá thành kinh tế và khả năng khai thác xử lý của mỗi thiết bị

2.2.4.2 GhÐp nèi liªn l¹c lªn cÊp cao h¬n WAN (Extenal Sunstation

Connection)

H×nh 2.2 ThiÕt kÕ tr¹m thùc tÕ víi c¸c øng dông më réng víi kÕt nèi ra

bªn ngoµi – WAN, Internet

Møc xö lý LAN Process LAN

HIM §iÒu khiÓn ph©n t¸n

Router

B¶o vÖ chÝnh

Feeder 1

B¶o vÖ chÝnh Feeder 1

B ¶o vÖ chÝnh Feeder 2

B¶o vÖ chÝnh Feeder 2

Dao c¸ch

ly Feeder 2

M¸y c¾t

Feeder 2

Khèi hîp nhÊt Feeder 2

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

Ngày nay, mỗi sản phẩm của công nghệ thông tin (IT) trong trạm thực

sự dễ dàng kết nối đến hệ thống khác qua khoảng cách và cấp độ cao hơn thông qua kết nối mạng WAN (Wide Area Network) hoặc Internet

2.3 Giao thức thông tin (Communications Protocols)

2.3.1 Khái niệm

Giao thức đợc IEEE định nghĩa là một nghi thức đợc quy ớc quản lý

đối với dạng và thời gian tơng ứng để chuyển thông báo giữa hai cổng thông tin Một thủ tục nghiêm ngặt bắt buộc để khởi động và duy trì thông tin Một quy chuẩn giao thức phải tuân thủ các quy định sau:

Cú pháp (syntax): quy định về cấu trúc message, gói dữ liệu dùng để trao đổi Trong đó có phần tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ nh địa chỉ, thông tin điều khiển, kiểm soát lỗi

Ngữ nghĩa (semantic): Quy định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong

bức điện, nh phơng pháp định địa chỉ, phơng pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục

điều khiển dòng thông tin, xử lý lỗi…

Thời gian (timing): Quy định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền đồng bộ hay không đồng bộ, tốc độ truyền thông (transfer – speed hay baud – rate)

Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tơng ứng đợc gọi là xử lý giao thức Nói cụ thể, quá trình xử lý giao thức có thể là mã hoá - xử lý giao thức bên gửi và giải mã - xử lý giao thức bên nhận Tơng

tự nh các dịch vụ truyền thông, có thể phân biệt các giao thức cấp thấp và giao thức cấp cao Giao thức cấp thấp gần phần cứng thờng đợc thực hiện

trực tiếp bởi mạch điện tử, giao thức cấp cao gần với ngời sử dụng, thờng

đợc thực hiện bằng phần mềm

Nói chung, thông tin trong hệ thống điện thực hiện bởi 4 chức năng cơ bản: xác lập thông tin, giới hạn thông tin, viết và đọc dữ liệu Chức năng viết dữ liệu (write data) đợc dùng để ra lệnh một IED thực hiện hoạt động điều khiển, thay đổi giá trị đặt, hoặc gửi dữ liệu đến thiết bị yêu cầu Kiểm tra lỗi

đợc thực hiện tại mỗi thiết bị để xác định một thông báo bị ngắt dữ liệu khi

đang truyền Dạng của giao thức, dạng cuả thông báo, tốc độ truyền đợc cấu hình khi lắp đặt

Các phơng pháp thông tin thu thập dữ liệu là: xung, tuần tự, hoặc tự nguyện

Hình thức xung (pulse): IED hoạt động nh một trạm chủ (Master) sẽ khởi động tất cả hoạt động chuyển dữ liệu, còn các IEDs khác hoạt động nh các trạm khách (Slave) và chỉ thực hiện khi đợc yêu cầu

Hình thức tuần tự (schedule): theo phơng pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), mỗi IED đợc phân chia thời gian truy nhập Bus nhất định, các trạm có thể thay nhau gửi thông tin trong khoảng thời gian định trớc, tuần tự theo thời gian định sẵn

Hình thức tự nguyện (unsolisted): Message từ các trạm khách gửi đến trạm chủ mà không cần yêu cầu Thờng đây là hình thức gửi cảnh báo (Alarm), là kết quả khi phát hiện ra sự cố, hoặc khi có một thay đổi trạng thái nào đó

2.3.2 Lớp giao thức thông tin (Communications Protocol Stack)

Hình 2.3 minh hoạ nguyên tắc xử lý giao thức theo mô hình lớp Đứng

từ bên gửi thông tin, qua mỗi lớp từ trên xuống dới, một số thông tin bổ trợ

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

lại đợc gắn thêm vào phần dữ liệu do lớp trên đa xuống, gọi là protocol header Bên cạnh đó, thông tin cần chuyển đi có thể đợc chia thành nhiều bức

điện có đánh số thứ tự, hoặc một bức điện có thể là tổng hợp của nhiều nguồn thông tin khác nhau

– Ngời ta cũng dùng các khái niệm nh “đóng gói dữ liệu packaged” hoặc tạo khung dữ liệu “frame”để chỉ thao tác này

Hình 2.3 Nguyên tắc xử lý giao thức theo mô hình lớp

PDU: Protocol Data Unit - Đơn vị dữ liệu giao thức

SDU: Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ.-

PCI: Protocol Control Information – Thông tin điều khiển giao thức

Một quá trình ngợc lại sẽ diễn ra ở bên nhận thông tin Các phần header sẽ đợc các lớp tơng ứng đọc, phân tích và tách ra trớc khi gửi tiếp

lên lớp trên Các bức điện mang nguồn thông tin sẽ đợc tổng hợp lại, hoặc một bức điện mang nhiều nguồn thông tin khác nhau sẽ đợc phân chia tơng ứng Đến lớp trên cùng thông tin nguồn đợc tái tạo

2.3.3 Giao thức OSI

Vào đầu những năm 80, Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) đã tạo ra một

hệ thống liên kết mở đợc gọi là mô hình quy chiếu OSI (Open System Interconnection) dạng tiêu chuẩn, để chuẩn hoá thông tin giữa máy tính và mạng nhằm hỗ trợ xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng tơng tác Theo mô hình OSI, những chức năng hay dịch vụ tiêu chuẩn mà nó có thể thâm nhập đến 7 lớp khác nhau Mỗi lớp đợc phân nhỏ sẽ cung cấp các dịch

vụ đặc biệt giữa lớp trên và lớp dới Chức năng của một lớp đặc biệt có thể

đợc thay đổi mà không cần thay đổi cấu trúc chung Các giao thức xác định cho mỗi lớp đợc lập thành bởi mối quan hệ peer – to –peer với lớp liên quan của thiết bị nhận

Lớp ứng dụng (Application Layer)

Là lớp trên cùng của mô hình OSI, có chức năng cung cấp các dịch vụ (trên cơ sở giao thức cao cấp) cho giao tiếp của các ứng dụng truy nhập vào mạng hệ thống

Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation Layer)

Chuyển đổi biểu diễn các dữ liệu ứng dụng khác nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn, nhằm tạo điều kiện cho các đối tác truyền thông có thể hiểu

đợc nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau Ngoài ra nó còn

có thể cung cấp các dịch vụ bảo mật dữ liệu qua phơng pháp sử dụng mã khoá

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

ứng dụng – Application

Biểu diễn dữ liệu – Presentation

Session Kiểm soát lỗi –

Hình 2.4 Giao thức OSI

Lớp kiểm soát nối (Session Layer)

Là một quá trình truyền thông, ví dụ nh trao đổi dữ liệu giữa hai chơng trình ứng dụng thuộc 2 nút mạng Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chơng trình ứng dụng, bao gồm tạo lập, quản lý và kết thúc các đờng nối giữa các ứng dụng đối tác Mối liên kết giữa các chơng trình ứng dụng mang tính chất logic, thông qua một mối liên kết vật lý (giữa 2 trạm, giữa 2 nút mạng) có thể tồn tại nhiều đờng nối logic Thông thờng, việc kiểm soát nối thuộc chức năng của hệ điều hành Để thực hiện các đờng nối giữa hai ứng dụng đối tác, hệ điều hành có thể tạo các quá trình tính toán song song (cạnh tranh) Nh vậy, nhiệm vụ đồng bộ hoá các quá trình tính toán đối với việc sử dụng chung một giao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểm soát nối, vì thế lớp này còn có tên lớp đồng bộ hoá

Lớp vận chuyển (Transport Layer):

Lớp này quản lý việc chuyển dữ liệu qua mạng, khi dữ liệu đợc chuyển

đi thành từng gói, cần phải đảm bảo các gói đều đến đích và đúng trình tự chúng đợc chuyển đi, bao gồm cả chức năng khắc phục lỗi và điều khiển lu thông Nhờ lớp này, các lớp trên thực hiện đợc các chức năng cao cấp mà không cần quan tâm tới cơ chế vận chuyển dữ liệu cụ thể Các nhiệm vụ của lớp vận chuyển bao gồm:

Quản lý về tên hình thức cho các trạm sử dụng

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

Định vị các đối tác truyền thông qua tên hình thức hoặc địa chỉ

Xử lý lỗi và kiểm soát dòng thông tin, trong đó có cả việc lập lại quan

hệ liên kết và thực hiện các thủ tục gửi lại dữ liệu khi cần thiết

Dồn kênh các nguồn dữ liệu khác nhau

Đồng bộ hoá giữa các trạm đối tác

Lớp mạng (Network Layer)

Một hệ thống mạng diện rộng (ví dụ mạng Internet hoặc mạng Viễn thông) là sự liên kết của nhiều mạng tồn tại độc lập Lớp mạng có trách nhiệm tìm đờng đi tối u (routing) cho việc vận chuyển dữ liệu, giải phóng sự phụ thuộc của các lớp trên vào phơng thức chuyển giao giữ liệu và công nghệ chuyển mạch dùng kết nối của các hệ thống khác nhau Tiêu chuẩn tối u ở

đây hoàn toàn dựa trên yêu cầu của các đối tác, ví dụ yêu cầu về thời gian, quãng đờng và giá thành dịch vụ hay yêu cầu về chất lợng dịch vụ Việc xây dựng và huỷ bỏ quan hệ liên kết giữa các nút mạng cũng là trách nhiệm của lớp mạng

Lớp liên kết dữ liệu (Data link Layer)

Lớp liên kết có nhiệm vụ truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy giữa 2 lớp: lớp mạng là lớp vật lý Lớp này thờng chia thành 2 lớp con: Lớp kiểm soát

truy nhập môi trờng (MAC – medium access control) và lớp liên kết logic (LLC – logical link control) Để thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu, thông

tin nhận đợc từ các lớp phía trên đợc đóng gói thành các bức điện có chiều

dài hợp lý (frame) Lớp liên kết dữ liệu phía bên nhận thông tin sẽ dựa vào các

thông tin này để xác định chính xác các dữ liệu, sắp xếp các khung lại theo

đúng trình tự và khôi phục lại thông tin để chuyển tiếp lớp dới nó

Lớp vật lý (physical Layer):

Lớp này là lớp cuối cùng, nó đảm nhận toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phơng tiện vật lý Các quy định sau đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị và môi trờng truyền thông:

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

Chuẩn truyền dẫn (RS485, RS232, IEC1158-2, fibre – optic,…)

Phơng pháp mã hoá bit (NRZ, Manchester, FSK,…)

Chế độ truyền tải (dải rộng/dải cơ sở/dải mang đồng bộ, không đồng bộ) Giao diện cơ học (phích cắm, giắc cắm…)

lLớp vật ý đợc chuẩn hoá sao cho một hệ thống truyền thông có sự lựa chọn giữa một vài khả năng khác nhau Trong các hệ thống Bus, sự lựa chọn này không qúa lớn, hầu hết dựa trên một vài chuẩn và kỹ thuật cơ bản

2.3.4 Giao thức TCP/IP

TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) là kết quả nghiên cứu phát triển trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet do ARPA (Advance Research Projects Agency) thuộc Bộ Quốc Phòng

Mỹ tài trợ Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả một bộ giao thức và dịch vụ truyền thông đã đợc công nhận thành chuẩn Internet Các giao thức tơng tự dịch vụ này nh IEC 61850 và EPRI 2.0 Có thể sắp xếp thành 5 lớp độc lập nh : Lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp Internet, lớp truy nhập mạng, lớp vật

lý

Lớp ứng dụng

Thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứng dụng khác nhau Với mỗi loại ứng dụng cần một module riêng biệt, ví dụ FTP (File Transfer

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

Protocol) cho chuyển giao file, TELNET cho làm việc với trạm chủ từ xa, SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) cho chuyển th điện tử, SNMP( Simple Network Management Protocol) cho quản trị mạng và DNS (Domain Name Service) phục vụ tra cứu danh sách tên và địa chỉ trên Internet, và ứng dụng

khác nh IEC 870 5, DNP, PROFIBUS- , …

Lớp vận chuyển

Cơ chế đảm bảo dữ liệu đợc vận chuyển một cách tin cậy hoàn toàn không phụ thuộc vào đặc tính của các ứng dụng sử dụng dữ liệu Chính vì thế cơ chế này đợc sắp xếp một cách độc lập để tất cả các ứng dụng khác nhau có thể sử dụng chung, đợc gọi là lớp vận chuyển Có thể thấy rằng TCP là giao thức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục vụ việc thực hiện chức năng nói trên TCP hỗ trợ việc trao đổi giữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối Bên cạnh TCP, giao thức UDP (User Data Protocol) cũng đợc sử dụng cho lớp vận chuyển Khác với TCP, UDP cung cấp dịch vụ không có nối cho việc gửi dữ liệu mà không

đảm bảo tuyệt đối đến đích, không đảm bảo trình tự đến đích của các gói dữ liệu Tuy nhiên, UDP lại đơn giản và có hiệu suất cao, nó chỉ đòi hỏi một cơ chế xử lý giao thức tối thiểu, vì vậy thờng dùng làm cơ sở thực hiện các giao thức cao cấp theo yêu cầu riêng của ngời sử dụng, mà một ví dụ tiêu biểu là giao thức SMTP –chuyển th điện tử e-mail

Lớp internet

Tơng tự nh lớp mạng OSI, lớp Internet có chức năng chuyển giao dữ liệu giữa nhiều mạng liên kết với nhau Giao thức IP đợc sử dụng chính ở lớp này, nh tên của nó Giao thức IP đợc thực hiện không những ở các thiết bị

đầu cuối mà còn ở các bộ router Một router chính là thiết bị xử lý giao thức dùng để liên kết 2 mạng, có chức năng chuyển giao dữ liệu từ một mạng này sang mạng khác, trong đó có cả nhiệm vụ tìm đờng đi tối u

Lớp truy nhập mạng

Lớp truy nhập mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu hai trạm thiết bị trong cùng 1 mạng Các chức năng bao gồm kiểm soát truy nhập môi trờng truyền dẫn, kiểm soát lỗi và lu thông dữ liệu, giống nh lớp liên kết dữ liệu trong mô hình OSI

Lớp vật lý

Lớp này có thể giống nh lớp vật lý trong giao thức ISO, lớp Vật lý đề cập đến giao diện vật lý giữa một thiết bị truyền dữ liệu (Ví dụ PC, PLC, RTU…) với môi trờng truyền dẫn hay mạng, trong đó có đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ truyền và cấu trúc cơ học của các phích cắm, giắc cắm

Những giao thức phổ biến

- ASCII – Giao thức này làm dễ dàng việc đổi sang ký tự và số ta hay

sử dụng Đây là giao thức đơn giản và nhng tốc độ chậm

- Modbus – Giao thức phổ thông trong công nghiệp và nó đã trở thành thông dụng trong thông tin điện lực, đặc biệt trong phạm vi trạm điện khi thiết

kế cho các PLCs chuyển dữ liệu Trên cơ sở giao thức này nhiều nhà sản xuất

đã phát triển thành những giao thức riêng của họ

- DNP 3.0 Đây là một giao thức cho hệ SCADA phổ thông, thiết kế để - tối u hoá hiệu quả qua bản ghi, kết nối Modem từ xa, khả năng kết nối của hệ

nhiều điểm (multidrop) Chuẩn này rất phát triển ở khu vực Bắc Mỹ

- UCA/MMS (Utility Communications Architecture và Manufactoring Message Specification) là chuẩn quốc tế của các nhà thiết kế Bắc Mỹ, đợc các nhà sản xuất và các nhà t vấn sử dụng Nó đáp ứng hầu hết đòi hỏi trong

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

thông tin giữa các thiết bị trong phạm vi một trạm phân phối hay nhiều loại thiết bị trong hệ thống điện lớn

- MMS: Chuẩn này tạo ra đợc cơ sở quan trọng trong việc xây dựng lớp ứng dụng của hệ thống bus trờng đợc nhiều hãng phát triển khi sử dụng:

FMS (Fieldbus Message Specification) của PROFIBUS, PMS (Peripheral

Message Specification ) của Interbus, MPS (Manufactoring Periodiclaperiodic Services) của WorldFIP, hoặc RAC (Remote Access Control) của Bitbus đều là

2.4 Thiết bị mạng thông tin (Network Communications Devices)

Biểu diễn mạng Ethernet và các thành phần :

Một mạng Ethernet hiện đại bao gồm nhiều thành phần và hình thức kết nối đa dạng Trong thiết kế, ngời thiết kế cần phải hiểu, dẫn giải tất cả các thành phần Ethernet và các kết nối cho mục đích phân tích tính tin cậy của hệ thống, đánh giá lợi ích thu đợc, khả năng lắp đặt và duy trì mạng Sau đây ta tìm hiểu một số thiết bị trong mạng thông tin

Một Hub là mối liên quan đơn giản của nhiều cổng thiết bị với nhau mà

nó truyền tất cả dữ liệu nhận trên mỗi cổng đến các cổng khác Nó làm việc ở lớp vật lý của kiến trúc OSI nhng nó không dùng bất kỳ dữ liệu nào để xác

định đờng đi (Routing)

Kênh thông tin – Switches

Một thiết bị chuyển kênh thông minh, khi dữ liệu nhận đợc trên mỗi cổng vào, nó sẽ xác định đợc cổng ra đối diện Nó làm việc ở lớp liên kết dữ liệu trong kiến trúc OSI Nếu dữ liệu đã đợc đóng gói hoặc không thể nhận diện thì cổng này sẽ từ chối và không làm thay đổi dữ liệu, sau đó sẽ chuyển sang cổng khác, dựa trên việc đánh địa chỉ trên gói dữ liệu và địa chỉ này phù hợp với mỗi cổng của Switch Các thế hệ Switchs mới ngày nay có thể làm việc trên các lớp số 3 (Network) và lớp số 4 (Transport)

Hệ Ethernet sử dụng một trong 2 đờng truyền:

- Base T: Cáp nối đôi dây xoắn đồng trục

- Base F: Cáp quang (10 Base FL đến 100 Base FL) Với tốc độ đờng truyền 10 hoặc 100 megabits mỗi giây

Hệ điều khiển và chỉ thị trạm biến áp thờng chọn cáp quang bởi các u

điểm sau:

+ Cách ly thiết bị khỏi nguy hiểm do điện áp tăng cao với đất

+ Tránh đợc nhiễu của tần số radio và môi trờng điện từ

+ Giới hạn đợc lỗi đờng truyền khi có sự cố chạm đất

+ Tín hiệu có thể truyền đi xa hơn so với cáp đồng trục

Nghiên cứu hệ thống tự động điều khiển và bảo vệ trạm biến áp Tô Tuấn Anh

Nhng cáp đôi dây xoắn hoặc đồng trục vẫn đợc sử dụng nhờ có những

đặc điểm có lợi hơn cáp quang nh :

+ Giá thành rẻ hơn cáp quang

+ Giá thành thiết bị kết nối rẻ hơn

+ Một số thiết bị đòi hỏi riêng phải đợc nối bằng cáp đồng trục

Kênh thông tin điện lực – Communications Media

Có nhiều kênh thông tin đang đợc sử dụng trong hệ thống điện: Cáp thông tin kim loại, tải ba (PLC - Power Line Carrier), mạng điện thoại, cáp quang và mạng không dây

+ Cáp thông tin kim loại trực tiếp (Direct Cooper): Trong hệ thống điện

đợc sử dụng thông tin trực tiếp giữa 2 thiết bị

+ Đờng điện thoại: Trong hệ thống điện sử dụng quay số hoặc thuê bao kênh truyền

+ Tải ba (PLC): Phơng pháp truyền qua đờng dây tải điện bằng tần số cao

+ Cáp quang: Truyền dữ liệu dới dạng biến đổi quang, đờng truyền là một hay nhiều sợi cáp quang đợc bó lại

+ Không dây: Dới dạng sóng FM hoặc sóng ngắn (Microwave)

2.5 Liên kết thông tin giữa IEDs

2.5.1 Khái niệm các dạng liên kết

Liên kết là mối quan hệ vật lý hoặc Logic giữa 2 hoặc nhiều đối tác truyền thông Có các loại liên kết: Điểm - điểm (Point to point), điểm với - - nhiều điểm Multi - drop), hoặc liên kết nhiều điểm (Multipoint)

- Network Topology cấu trúc liên kết của mạng, nói cách khác chính là tổng hợp các liên kết Topology có thể hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật

lý của mạng nhng cũng có thể là cách sắp xếp Logic của các nút mạng, và mối liên kết giữa các nút mạng Cấu trúc mạng thông tin trong hệ thống điện

+ Ring Topology Mạng liên kết vòng

2.5.1.1 Mạng cấu trúc liên kết hình sao

Mạng cấu trúc liên kết hình sao đợc thiết kế trợ giúp cho những hệ thống có nhiều loại IEDs Những Rơle có khả năng thông tin tốc độ thấp lắp

đặt cùng với những Rơle hiện đại có tốc độ nhanh hơn Trong mạng hình sao, thiết bị có xuất xứ từ nhiều nhà sản xuất với các Protocol khác nhau có thể cùng nối trực tiếp tới bộ xử lý trung tâm Tính mở ở đây đợc thể hiện khi mạng có khả năng giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm của nhiều hãng sản xuất với nhiều giao thức (Protocols), nhiều tỷ số truyền (baud rate), và nhiều hình thức giao tiếp mạng Thế hệ Rơle số có cổng giao tiếp đơn giản thờng

đợc sử dụng là loại cổng nối tiếp EIA - 232

2.5.1.2 Mạng cấu trúc liên kết nhiều điểm (Multidrop)

Mạng cấu trúc liên kết Bus và vòng với nhiều điểm, trong đó các thiết bị

đợc nối theo luật truyền và nhận thống nhất Đặc điểm của 2 liên kết này là trong một khoảng thời gian nào đó chỉ có một thiết bị liên lạc Trong mạng Multidrop, mỗi trạm, mỗi thiết bị, hoặc Rơle trong mạng phải đợc đánh địa chỉ và sẽ sử dụng cổng song song EIA 485 Ngoài ra cổng EIA 232 cũng có - -