4. Ý nghĩa của đề tài
2.3.1. Tổng quan hệ thống thông tin vận hành
2.3.1.1. Hệ thống điều khiển trạm và các trung tâm quản lý vận hành
Để đáp ứng nhu cầu quản lý vận hành hệ thống cao áp (110/220/500kV), các công ty truyền tải điện và công ty điện lực cần được trang bị một hệ thống thu thập và xử lý thông tin vận hành từ mức thấp nhất của hệ thống là các trạm biến áp cho đến mức quản lý của công ty, xí nghiệp thậm chí đến tận các điện lực được phân cấp điều khiển phối hợp với lưới điện trung thế của mình.
Kiến trúc tổng thể hệ thống thông tin vận hành
Với các trạm biến áp 110kV hiện hữu được xây lắp trước năm 2010, các loại thông tin thu thập như thông tin về bảo vệ, điều khiển và đo lường thiết bị hệ thống
điện tại các trạm biến áp được kết nối vào RTU qua thiết bị chuyển mạch FBS (Fall
Back Switch) để kết nối tới thiết bị ghép kênh PCM và truyền dẫn đến trung tâm điều khiển trạm và Trung tâm điều độ.
Với các trạm 110kV hiện nay, phần lớn hệ thống trạm tự động sẽ thu thập thông tin về bảo vệ, điều khiển và đo lường thiết bị hệ thống điện tại các trạm biến áp, cao áp. Thông tin sẽ được thu thập thông qua việc kết nối trực tiếp với các thiết bị điều khiển, bảo vệ và đo lường thông minh (IEDs) bằng các loại giao thức protocol khác nhau.
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 45
Với giải pháp sử dụng các thiết bị bảo vệ và đo lường thông minh IEDs như ngày nay sẽ cho phép dần loại bỏ được RTU tạo sự thuận tiện cho việc mở rộng và nâng cấp sau này do không cần phải nâng cấp RTU, giảm chi phí và thời gian cho công tác đấu nối và thí nghiệm [5].
Để có cái nhìn tổng thể kiến trúc hệ thống thông tin liên lạc và xử lý thông tin vận hành ta có hình vẽ sau:
Hình 2.2: Kiến trúc tổng thể hệ thống thu thập và xử lý thông tin vận hành
Từ kiến trúc tổng thể trên ta thấy rằng với mỗi một TBA 110kV, mức quản lý vận hành trực tiếp đầu tiên chính là Đội quản lý trạm 110kV, ngoài ra thông tin tín hiệu từ trạm cũng được chuyển về Hệ thống trung tâm cấp tỉnh, cấp Miền thông qua hệ thống viễn thông trạm v v ..
Hệ thống truyền tin chính qua mạng WAN trên cơ sở cáp quang điện lực và các thiêt bị truyền tin phù hợp với yêu cầu IEC61850 đảm bảo việc truyền dữ liệu bảo vệ và điều khiển. Ngoài ra để dự phòng cho mạng chính thì mạng SDH của EVN được sử dụng trong các trường hợp mạng chính có sự cố. Ngoài việc truyền
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 46
dữ liệu vận hành thì dữ liệu của camera quan sát, thông tin thoại, fax… cũng được truyền thông qua các mạng truyền tin này.
2.3.1.2. Hệ thống thu thập và xử lý thông tin mức trạm
Kiến trúc hệ thống tích hợp mức trạm
Để có thể tận dụng được các thiết bị đã được trang bị từ trước và xét đến khả năng kết nối với các hệ thống trung tâm cho việc điều khiển từ xa các trạm biến áp ở chế độ không người trực, cấu trúc tổng quan của hệ thống giám sát, điều khiển tích hợp được mô tả ở hình dưới đây.
Hình 2.3: Mô hình kiến trúc hệ thống tích hợp mức trạm
Hệ thống đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau
Khi thiết lập một trạm biến áp các tiêu chí luôn được đặt ra đối với các trang thiết bị trong trạm phải đáp ứng như:
Hệ thống mở - Kiến trúc hệ thống mức trạm phải cho phép các tùy chọn khác nhau đối với các phân đoạn để triển khai ứng dụng trên các yêu cầu cụ thể một cách linh hoạt trong phạm vi cấu trúc đó.
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 47
Khả năng bảo dưỡng - Kiến trúc hệ thống mức trạm sẽ hỗ trợ bảo dưỡng tại chỗ các thành phần mà không cần sự hỗ trợ của nhà cấp hàng đối với hoạt động vận hành và bảo dưỡng hàng ngày.
Nền tảng phát triển ứng dụng - Kiến trúc hệ thống mức trạm sẽ cung cấp một nền tảng mạnh để phát triển các ứng dụng điều khiển giám sát và quản lý vận hành thiết bị, trao đổi thông tin dữ liệu với các hệ thống nội bộ và bên ngoài. Ngoài ra hệ thống có khả năng cung cấp dịch vụ số liệu cho nội bộ và người dùng bên ngoài qua dịch vụ Web.
Chiến lược sẵn sàng cho tương lai - Kiến trúc hệ thống mức trạm được thiết kế có xét đến xu hướng công nghệ và ứng dụng tương lai.
Khả năng tích hợp - Hệ thống có khả năng tích hợp một cách linh hoạt các thành phần mới, các giải pháp và ứng dụng nâng cao khác (như SCADA/EMS/DMS/AMI..), và sẵn sàng làm nền tảng cho các ứng dụng SmartGrid trong tương lai.
Các chức năng cơ bản của kiến trúc hệ thống mức trạm
Các chức năng tiêu biểu bao gồm:
- Hệ quản trị CSDL thời gian thực - Realtime database management
- Hệ thống quản lý cảnh báo – Alarm Processing
- Hệ thống quản lý sự kiện – Event History
- Hệ quản trị CSDL quá khứ - Historical Data management
- Hệ thống IP camera giám sát
- Hệ thống giao diện người - máy – HMI
- Hệ thống quản lý biển báo - Tagging management
- Dịch vụ Web
Đặc điểm ưu việt của hệ thống này là tính đồng nhất do đã sử dụng cấu trúc 3 lớp về xử lý dữ liệu và ứng dụng đối với người sử dụng trên nền tảng của hệ thống truyền tin tốc độ cao (100/1000Mb/s), do đó việc điều khiển ở mức trạm hay mức Trung tâm là hoàn toàn như nhau. Như vậy nhân viên vận hành hệ thống tùy vào phân cấp sẽ có đầy đủ thông tin và quyền điều khiển như ngồi trong phòng điều khiển tại trạm.
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 48
2.3.1.3. Kiến trúc hệ thống truyền tin
Với những ưu điểm của hệ thống truyễn dẫn bằng cáp quang mang lại, ta xem xét và đánh giá năng lực của mạng cáp quang hiện tại của các đơn vị trong hệ thống ngành điện EVN, đề xuất một giải pháp kỹ thuật cho mạng truyền tin phục vụ mục đích quản lý vận hành và kinh doanh hệ thống điện như hình dưới đây.
Hình 2.4: Kiến trúc tổng hệ thống truyền tin
Trong hệ thống truyền tin này, các trạm biến áp, các trạm trung tâm và Trung tâm điều khiển cũng như hệ thống SCADA/EMS/DMS/AMI của các công ty và Trung tâm điều độ được kết nối vào mạng WAN (1000/100Mb/s) trên hệ thống cáp quang và hoạt động như mạng kết nối chính. Tất cả các thiết bị, trạm làm việc và máy tính người dùng nối trên mạng này theo hệ thống địa chỉ IP. Ngoài ra các dịch vụ như thoại, hot-line và giao tiếp E1 cũng được truyền dẫn theo mạng truyền thông tích hợp TDMoIP.
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 49
Thiết bị chính được đề xuất là thiết bị chuyên dùng cho việc truyền tin trong trạm biến áp và hệ thống điện. Các thiết bị này được chế tạo tuân thủ IEC61850.
[10].
2.3.1.4. Lợi ích của việc sử dụng SCADA trạm
SCADA trạm sẽ mang lại những lợi ích to lớn khi thiết kế, xây dựng, vận hành, bảo trì và nâng cấp trạm khi cần mở rộng. Đặc biệt nó tăng cường thêm chất lượng giám sát, vận hành và nâng cao tính tin cậy của hệ thống trạm. Cáclợi ích mà SCADA trạm mang lại gồm:
Lợi ích khi thiết kế và xây dựng trạm
- Giảm bớt số lượng các thiết bị dự phòng.
- Giảm thiểu hạ tầng cơ sở của trạm bao gồm: đường cáp tín hiệu/ống dẫn dây,
các tủ bảng đo lường, tủ bảng điều khiển và diện tích nhà điều hành trạm.
- Dễ dàng nâng cấp, mở rộng hệ thống điều hành trạm.
Lợi ích khi vận hành
- Tự động ghi nhận các hoạt động điều hành trạm của người trực trạm cũng
như các lệnh điều hành của cấp trên.
- Có cơ sở dữ liệu vận hành để dùng trong việc vận hành, phân tích, tính toán
với hệ thống, điều khiển thời gian thực.
- Giảm được số lượng nhân công vận hành trạm, hơn nữa trên cơ sở hệ thống
trạm được tự động hoá hoàn toàn điều này sẽ tránh được đáng kể những sai sót do người công nhân vận hành trạm.
Lợi ích trong bảo trì hệ thống
- Có cơ sở dữ liệu về lịch sử vận hành, lịch sử thao tác trạm, các báo động,
thông tin về sự cố luôn có sẵn trên hệ thống.
- Các thiết bị đo có thể được trực tiếp lập trình về các thông số cấu hình, chẩn
đoán, chỉnh định hệ thống…
- Dễ dàng lập kế hoạch bảo trì thiết bị thông qua việc phân tích cơ sở số liệu
tình trạng hoạt động của thiết bị. Chi phí bảo trì sẽ giảm do có số liệu cụ thể về hệ thống.
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 50
- Sơ đồ trạm được quản lý bằng máy tính nên rất dễ dàng trong việc xem xét
cũng như cập nhật các thay đổi mà không mất nhiều chi phí.
Tăng cường tính tin cậy của hệ thống
- Giao diện người - máy thân thiện với giải thích rõ ràng cùng cơ chế kiểm tra
hoạt động sẽ giảm thiểu khả năng thao tác nhầm, thao tác sai của người trực trạm.
- Tăng số lượng, chất lượng và độ tin cậy của việc thu thập số liệu.
- Cung cấp nhanh chóng và chính xác về lịch sử thao tác cũng như lịch sử vận
hành trạm để có thể đưa ra nhanh chóng những quyết định khi hệ thống có sự cố xảy ra hay là khi cần nâng cấp, bảo trì hệ thống.
- Trên cơ sở có các cảnh báo sớm sẽ khiến cho việc bảo trì đúng thời hạn sẽ
giảm thiểu đáng kể các rủi ro hỏng hóc mang lại.
- Do việc thu thập số liệu thời gian thực nên cho phép thực hiện nhanh chóng
xác định và xử lý tình trạng quá tải. Những khu vực bị quá tải này sẽ được nhanh chóng bù đắp bằng hệ thống nguồn cấp dự phòngkhác, điều này giảm đáng kể thời gian bị mất điện do sự cố quá tải hệ thống.
2.3.2. Hiện trạng hệ thống viễn thông SCADA trạm 110kV
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 51
Hình 2.5: Mô hình kết nối tổng quát SCADA ngành điện 2.3.2.2. Các mô hình kết nối viễn thông trạm 110kV
Từ sự phân cấp điều độ hệ thống điện, từ mô hình kết nối tổng quát ở trên ta thấy tất cả các trạm biến áp 110kV, các nhà máy điện và các thiết bị trên lưới điện phân phối điều được sự quản lý của Điều độ lưới điện phân phối cấp tỉnh và huyện.
Qua đó có thể thấy rằng hệ thống viễn thông với trạm 110kV sẽ được quy hoạch thiết bị để có thể kết nối tới các đơn vị quản lý, từ mô hình ta có các hướng kết nối viễn thông trạm 110kVnhư sau:
Kết nối WAN
Từ trạm 110kV kết nối tới Điều độ lưới điện phân phối (SCADA/DMS) Từ trạm 110kV tới Trung tâm thao tác đóng cắt - (Công ty Lưới điện cao thế Miền).
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 52
Từ trạm 110kV tới Trung tâm Điều độ hê thống điện Miền (SCADA/EMS) Ngoài hệ thống viễn thông kể trên, trạm điện 110kV tùy từng vị trí địa lý, đặc thù vùng miền mà nó có thể kết nối với các trạm 110kV gần nhất hoặc các trạm 220kV theo hướng truyền dẫn được quy hoạch cụ thể. Điều này có tính dự phòng an toàn và đảm bảo cho việc truyền số liệu không bị gián đoạn khi có sự cố xảy ra.
Kết nối LAN
Kết nối giữa các thiết bị điện với RTU thông qua bộ chuyển đổi RS232/RS485 sang ethernet hoặc thiết bị điều khiển, bảo vệ và đo lường thông minh (IEDs) áp dụng giao thức IEC 61850 chuẩn ethernet được kết nối tới hệ thống Switch trong trạm
2.4.Phân tích, đánh giá hệ thống thông tin liên lạc trạm 110kV
Hệ thống thông tin liên lạc giữa Trung tâm điều khiển và các TBA 110kV sử dụng giải pháp truyền dẫn quang làm đường truyền chính và đường truyền dự phòng là đường dây điện thoại công cộng (PSTN) để truyền số liệu.
Với giải pháp sử dụng đường truyền này chi phí đầu tư thấp do sử dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của lưới điện, đây là đường truyền có băng thông rộng, sử dụng nhiều dịch vụ đồng thời và độ tin cậy cao. Vì vậy, tiếp tục tận dụng cơ sở hạ tầng cáp quang hiện có để kết nối mở rộng hệ thống SCADA trong hiện tại và tương lai là giải pháp hợp lý.
Hệ thống viễn thông SCADA của trạm 110kV đang có hiện nay có chức năng kết nối SCADA với các trạm biến áp (TBA) 110kV, 220kV khác, ngoài ra cũng sử dụng song song đường truyền dự phòng là đường dây điện thoại công cộng (PSTN) để truyền số liệu. Hướng đi tuyến hệ thống truyền dẫn được phân theo nhánh truyền dẫn quang trục chính theo quy hoạch của từng khu vực và vùng miền.
Cũng như hầu hết các hệ thống SCADA nói chung, hệ thống viễn thông của Trạm 110kV cũng đảm nhiệm chức năng, nhiệm vụ chính như sau:
Phục vụ thu thập thông tin
Điều khiển
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 53
2.5.Phân tích đánh giá mô hình kết nối theo giao thức IEC60870
Hiện nay, hầu hết hệ thống SCADA của hệ thống điện ở Việt nam đều sử dụng giao thức truyền thông IEC60870-5-101 cho giải pháp truyền thông từ các điểm nút điều khiển kết nối với hệ thống SCADA. Về cơ bản giao thức IEC60870- 5-101 đáp ứng được yêu cầu về tín hiệu giám sát điều khiển đo lường theo thời gian thực cho các đối tượng điều khiển.
Tuy nhiên, với đặc điểm kết nối theo giao diện truyền thông nối tiếp (serial), giao thức truyền thông IEC60870-5-101 có nhiều hạn chế trong việc thiết lập các kênh truyền thông vật lý, đồng thời khó khăn trong việc mở rộng điểm kết nối trên hệ thống. Cùng với sự phát triển của các giao thức truyền thông trên nền tảng giao thức truyền thông TCP/IP, giao thức IEC60870-5-104 được ứng dụng cho các giải pháp truyền thông của hệ thống SCADA có nhiều ưu điểm trong việc triển khai cũng như khả năng ổn định cao trong các phương thức truyền dẫn.
2.5.1. Mô hình kết nối theo giao thức truyền thông theo IEC60870-5-101
Mô hình dưới đây là phương thức truyền thông cơ bản của hệ thống SCADA của các trạm truyền tải. Tín hiệu truyền thông IEC101 từ RTU tại trạm kết nối với hệ thống SCADA của hai đường vật lý:
Main line: đường truyền thông chính sử dụng kết nối qua hạ tầng cáp quang với các thiết bị ghép kênh (PCM) và truyền dẫn (STM1, STM4).
Backup line: sử dụng phương thức truyền thông PSTN qua mạng điện thoại có dây của các nhà cung cấp dịch vụ.
Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành: Điều khiển & Tự Động Hóa
Lê Thanh Bằng – 13BĐKTĐH Page | 54
Hình 2.6: Phương thức kết nối truyền thông theo giao thức IEC 60870-5-101
Việc chuyển đổi kênh truyền thông từ “main line” sang “backup line” và chuyển đổi máy chủ xử lý dữ liệu theo cơ chế (Hot/Standby) được thực hiện bằng thiết bị chuyển mạch FBS (Fall Back Switch)[4], [10].
2.5.2. Mô hình kết nối theo giao thức truyền thông IEC 60870-5-104