2. Thu thập dữ liệu và quản lý truyền tin (DA)
2.2. Kết nối dữ liệu với trung tâm giám sát điều khiển từ xa
2.2.1. Chuẩn truyền thông IEC 60870-101:
83 2.2.1.1. Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-x.
Để đảm bảo các thiết bị có cấu trúc không tương thích có thể truyền thông với nhau trong một hệ thống SCADA, cần quy định một thủ tục chuẩn cho tất cả các thiết bị khi muốn tham gia truyền thông trong hệ thống phải tuân theo. Thủ tục
này đƣợc gọi là giao thức.
Trong giai đoạn đầu phát triển của SCADA, các giao thức truyền thông dùng trong SCADA là các giao thức do nhà sản xuất tự phát triển phù hợp với các sản phẩm của hãng, không phù hợp với các sản phẩm của nhà sản xuất khác. Việc mở rộng hoặc nâng cấp một hệ thống gặp rất nhiều khó khăn, có thể dẫn đến sự
thay thế một phần hoặc toàn bộ hệ thống hiện tại.
Với sự phát triển của SCADA trong quản lý và vận hành lưới điện, việc ra đời các chuẩn truyền thông mở có thể sử dụng chung cho nhiều dòng sản phẩm của các nhà sản xuất khác nhau là nhu cầu cần thiết. Xuất phát từ thực tếđó, IEC đã ban hành
IEC 60870-5 là tập hợp các tiêu chuẩn mở cho thông tin SCADA và đo xa.
Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101 là chuẩn quốc tếcho giám sát, điều khiển từ xa các thiết bị và hệ thống, giao diện truyền thông được minh hoạ bằng hình
dưới đây.
84
Trong đó:
PCS : Process Communication Server. RCS : Remote Communication Server. RTU : Remote Communication Unit. AS : Application Server (Cetral system).
IEC 60870 bao gồm hệ thống, thiết bịđiều khiển từ xa và các giao diện truyền thông IEC 60870-5-101 là chuẩn truyền thông được xây dựng từ chuẩn IEC60870-5-1
đến IEC 60870-5-5. Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101 mô tả các khái niệm
cho giám sát, điều khiển hệ thống điện, chuẩn truyền thông cho điều khiển và bảo vệ từ xa, chuẩn thông tin trong hệ thống điện. Các khái niệm này tương thích
hoàn toàn các tiêu chuẩn IEC 60870-5-1 và IEC 60870-5-5 và chuẩn truyền bất
đồng bộ. IEC 60870-5-101 cũng phù hợp cho nhiều cấu hình hệ thống điểm-
điểm, hình sao, multidropped…
2.2.1.2. Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-1.
Các khung được định dạng của IEC 60870-5-1 dựa trên lớp vật lý và lớp liên kết. IEC 60870-5-1 (Linhk service classes provided)xác định theo ba lớp dùng ở
ba mức khác nhau.
85
Truyền dẫn không đối xứng (Unbalanced mode): Là phương thức sử dụng
điện áp của một dây dẫn so với đất để thể hiện các trạng thái logic “0” hoặc
“1” của tín hiệu số. Ưu điểm của phương thức là chỉ cần một đường dây đất chung cho một kênh tín hiệu.
Bảng 5. 1: Phương thức truyền dẫn không đối xứng
Loại dịch vụ liên kết
(Link service class)
Chức năng
(Funcion) Cách dùng
S1 Gửi/không phản hồi
(Send/No reply)
Không sử dụng trong thiết bị này
(Not used in this implementation)
S2 Gửi/Xác định
(Send/Confirm)
Các loại dữ liệu tổng hợp đến trạm
được điều khiển
(Miscellaneous data to the controlled station)
S3 Yêu cầu/Đápứng
(Reuest/Respond)
Chủ yếu dùng cho dữ liệu thu được
(Mainly for poll of data)
Truyền dẫn chênh lệc đối xứng: Là phương thức sử dụng điện áp giữa hai dây dẫn (A và B hoặc – và +) để biểu thị trạng thái logic “1” hoặc “0” của tín
86
Bảng 5. 2: Phương thức truyền dẫn chênh lệch đối xứng
Loại dịch vụ liên kết
(Link service class)
Chức năng
(Funcion) Cách dùng
S1 Gửi/không phản hồi
(Send/No reply)
Không sử dụng trong thiết bị này
(Not used in this implementation)
S2 Gửi/Xác định
(Send/Confirm)
Các loại dữ liệu tổng hợp đến/từ
trạm được điều khiển
(Miscellaneous data to/from the controlled station)
S3 Yêu cầu/Đápứng
(Reuest/Respond)
Được dùng trong suốt quá trình thiết lập đường truyền
(Used during the link establishment)
Có 4 loại khung định dạng truyền thông là: FT1.1; FT1.2; FT2; FT3. Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101 chỉ sử dụng khung định dạng FT1.2 với khoảng cách Hamming=4.
Chuẩn IEC 60870-5-101 dùng ba loại khung FT1.2:
+ Khung với độ dài cố định (Frames with fixed leght): Bao gồm hai trường dữ liệu là trường điều khiển và trường địa chỉ. Các khung này được sử dụng cho phương pháp truyền tải thông tin thông thường giống như việc cài đặt lại
đường dẫn hoặc phương pháp hỏi tuần tự (polling) đối với dữ liệu sử dụng.
Trường điều khiển và trường địa chỉ có quan hệ mật thiết với chức năng liên kết và vì vậy nó không được xem như là dữ liệu sử dụng.
87
Hình 5. 4: Khung với chiều dài cốđịnh
(Ghi chú: Byte với vùng màu xám là không bắt buộc)
+ Khung với độ dài thay đổi: Được sử dụng cho việc truyền các dữ liệu sử
88
Hình 5. 5: Khung với chiều dài thay đổi
+ Khung với đặc tính điều kiển đơn (Frames with a single control
character): Chỉ loại dặc trưng I được sử dụng trong chuẩn truyền thông IEC
60870-5-101.
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
E5h
1 1 1 1 1 1 1 1
89 2.2.1.3. Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-2.
Phương thức liên kết đường truyền (Link transmission procedures) các dịch vụban đầu được mô tảnhư sau.
+ REQ : Yêu cầu ban đầu. + CON : Xác lập ban đầu. + IND : Biểu thịban đầu. + RES : Đápứng ban đầu.
Những trạng thái ban đầu được sử dụng trong giao diện đối đối diện với lớp liên kết. Các phương thức đường truyền hay liên kết dịch vụ như sau:
+ Gửi/Không phản hồi. + Gửi/Xác nhận.
+ Yêu cầu/ Đáp ứng.
Đây chính là sự biểu hiện mối quan hệ giữa dịch vụ ban đầu và phương thức truyền dẫn.
Khung CONFIRM bao gồm duy nhất một mức liên kết.
2.2.1.4. Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-3.
Cấu trúc chung của dữ liệu được định rõ trong IEC 60870-5-3 cho ứng dụng
trường dữ liệu trong việc điều khiển từ xa các khung truyền dẫn. Nó mô tảđiều lệ cơ bản đểđịnh rõ việc ứng dụng khối dữ liệu.
90
Hình 5. 7: Quan hệ giữa các khối dữ liệu trong IEC 60870-5-3
2.2.1.5. Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-4.
Định dạng phương thức chuẩn đối với dữ liệu ứng dụng và đưa ra một thiết lập của các thành phần thông tin như loại dữ liệu, kích cỡ dữ liệu …
2.2.1.6. Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-5.
Được dùng trong hệ thống điều khiển từ xa. Một vài phương thức tạo thành chuỗi tiếp nối được mô tả như việc chuyển đổi khối dữ liệu giữa trạm điều khiển và trạm điều khiển (VD các chức năng sau: Thu thập dữ liệu bằng phương pháp
tuần hoàn; Đường truyền điều hành; Khoá điều chỉnh).
2.2.1.7. Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101.
Đây là chuẩn kết hợp nhiệm vụđiều khiển từ xa bao gồm các chuẩn cơ bản và được định rõ từ phần 870-5-1 …. 870-5-5.
91
Bảng 5. 3: Kết nối thông tin giữa các lớp và các chuẩn
Lựa chọ chức năng ứng dụng : IEC 870-5-5 Quá trình sử dụng
(User Process) Lựa chọn các thành phần thông tin ứng dụng: IEC 870-5-4 Lớp ứng dụng (Application Layer) Lựa chọn các khối dữ liệu ứng dụng: IEC 870-5-3
Lựa chọn phương thức liên kết đường truyền:
IEC 870-5-3 Lớp liên kết
(Link Layer)
Lựa chọn các khung định dạng đường truyền: IEC 870-5-1
Lựa chọ các yêu cầu ITU-t Lớp vật lý
(Physical Layer)
2.2.2. So sánh mô hình giao thức IEC 60870-5-101 với mô hình OSI.
Mô hình OSI (Open Systems Interconnection Reference Model) đƣợc ISO
(The International Standards Organization) ra năm 1983 nhằm xây dựng một hệ
thống mở giúp trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị khác nhau. Mô hình OSI phân chia chức năng của các giao thức thành các lớp có chức năng riêng biệt. Mô hình OSI gồm 7 lớp và chia thành 02 nhóm chức năng chính: Kết nối (Layer 1; Layer
2; Layer 3) và trao đổi ứng dụng (Layer 4; Layer 5; Layer 6; Layer 7). Trên cơ
sở của mô hình các lớp của OSI, IEC 60870 đã đưa ra chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101 với mô hình 3 lớp như phần bên phải.
92
Hình 5. 8: So sánh giao thức IEC 60870-5-101 với mô hình OSI
2.2.2.1. Chức năng các lớp trong chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101.
- Lớp vật lý (Physical): Liên quan đến việc truyền và nhận dữ liệu trên các môi trường vật lý. Lớp vật lý mô tả cách truyền tín hiệu, đặc tính của các tín hiệu
điện, giao diện truyền thông, mô hình mạng,…
+ Giao diện truyền thông: IEC 60870-5-101 sử dụng các chuẩn giao tiếp
tương đối phổ biến là giao tiếp giữa các DTE (Data Terminal Equipment)
và DCE (Data Communication Equipment). Các chuẩn giao tiếp này
tương đương với các tiêu chuẩn của ITU-T như RS232 và RS485. Chúng
cung cấp các cơ chế truyền dữ liệu nối tiếp balanced và unbalanced (full-
duplex) giữa các DTE (RTU) và DCE (modem).
93
Bảng 5. 4: Tốc độ truyền dữ liệucủa các kiểu giao tiếp
+ Mô hình mạng: IEC 60870-5-101 phù hợp với nhiều mô hình mạng:
Điểm – Điểm; Điểm – Đa điểm …
Hình 5. 9: Các mô hình kết nối của chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101
- Lớp liên kết dữ liệu (Data link): Có nhiệm vụ truyền dữ liệu qua kênh thông
tin đảm bảo đầu thu nhận được đầy đủ dữ liệu và không bị lỗi. Dữ liệu truyền sẽ được kết hợp thêm phần địa chỉ đích, phần kiểm soát lỗi tạo thành một khung tin
(frame).
+ Cấu trúc khung dữ liệu: IEC 60870-5-101 hỗ trợ hai loại cấu trúc khung: Khung có độdài thay đổi (variable length) và khung có độ dài cố
94
tượng vì vậy nó chỉ được sử dụng cho các lệnh điều khiển liên kết và các xác nhận (acknowledgment).
Hình 5. 10: Khung tin của chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101
Một sốđiểm lưu ý về khung tin chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101: * 1 Octet = 1 Start bit + 8 Data bits + 1 Parity + 1 Stop bit.
* Chỉ có khung tin có độdài thay đổi mới mang thông tin của đối tượng. * Khung tin có độdài thay đổi có độ dài tối đa 253 octets mang thông tin đối ượng.
* Độ dài L được lặp lại 02 lần trong khung tin và chỉ khi 02 giá trị này bằng nhau thì khung tin mới được chấp nhận.
* Khung tin có độ dài tối đa là 261 octets. Tuy nhiên, giá trị này có thể thấp
hơn tùy theo quy định của nhà sản xuất hoặc do cài đặt của người dùng. * Độ dài khung tin có chiều dài cốđịnh là 5 hoặc 6 octets.
* Độ dài của trường địa chỉ có thể là 1 hoặc 2 octets và được thiết lập như
95 * FF hoặc FFFF là địa chỉ broadcast.
+ Quy định truyền dữ liệu: Dữ liệu trong khung tin của chẩn truyền thông IEC 60870-5-101 được truyền theo thứ tựnhư sau:
Hình 5. 11: Qui định truyền dữ liệu trong chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101
+ Sơ cấp và thứ cấp (Primary and Secondary): Dùng để xác định trạm nào có thể khởi tạo thông tin qua kênh truyền thông. Chỉ có trạm Primary mới có thể tự khởi tạo thông tin, còn trạm Secondary phải nhận được yêu cầu từ trạm Primary mới có thể truyền tin.
96
Trong trên, RTU 3 làm cả 02 chức năng Primary và Secondary. Tuy nhiên, trong một kênh truyền thông chỉ có duy nhất 01 trạm Primary. + Không cân bằng và cân bằng (Unbalanced and Balanced): Liên quan
đến Primary và Secondary.
Mode truyền Unbalanced được dùng khi trạm điều khiển (controlling
station) hoạt động như một trạm Primary và một hay nhiều trạm được
điều khiển (controlled station) hoạt động như các trạm Secondary. Trong mode truyền Unbalanced, trạm điều khiển sẽ yêu cầu dữ liệu từ các trạm
được điều khiển, vì vậy sẽ tránh được việc xung đột trong quá trình thu thập dữ liệu và điều khiển.
Mode truyền Balanced được dùng khi trạm điều khiển (controlling
station) hoạt động như một trạm Primary và một hay nhiều trạm được
điều khiển (controlled station) hoạt động nhưcác trạm Secondary. Trong mode truyền Unbalanced, trạm điều khiển sẽ yêu cầu dữ liệu từ các trạm
được điều khiển, vì vậy sẽ tránh được việc xung đột trong quá trình thu thập dữ liệu và điều khiển.
+ Trường điều khiển (C - Control field): Trường điều khiển là byte xử lý các thu tục truyền thông của chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101.
97
Hình 5. 13: Khởi tạoMode truyền Unbalanced
* Các hàm chức năng trạm Primary:
Bảng 5. 5: Trạm Primary – Balanced
CODE THỦ TỤC MÔ TẢ
0 SEND-CONFIRM expected Reset link
1 SEND-CONFIRM expected Reset User Process
3 SEND-CONFIRM expected User Data - Confirm Expected
4 SEND-NO REPLY expected User Data - No Confirm
9 REQUEST-RESPOND expected Request Link Status
10 REQUEST-RESPOND expected Request User Data Class 1
98 * Các hàm chức năng trạm Secondary:
Bảng 5. 6: Trạm Secondary – Balanced
CODE THỦ TỤC MÔ TẢ
0 CONFIRM Confirm - Ack
1 CONFIRM Confirm - NAck
8 RESPOND Respond - User Data
9 RESPOND Respond - NAck No Data
11 RESPOND Respond - Link Status
14 Link Not Functioning
15 Link Not Used
- Lớp ứng dụng (Application): Lớp ứng dụng là lớp gần với người sử dụng nhất. Nó cung cấp giao diện để người dùng tương tác với chương trình ứng dụng, và
qua đó tương tác với hệ thống.
+ Cấu trúc chung của ASDU (Application Service Data Unit): Là khối lượng trữ dữ liệu nằm trong các bản tin của IEC 60870-5-101.
99
+ Tập lệnh – Type ID: Tập lệnh của ASDU được thể hiện trong octet đầu tiên của ASDU.
Trong đó: <0> : Không sử dụng.
<128..255> : Không dùng trong IEC 60870-5-101
chuẩn (được quy định sử dụng riêng bởi
các nhà sản xuất).
Bảng 5. 7: Bộ lệnh của chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101
System Information Commands
■ <1> : = Single point information M_SP_NA_1
■ <2> : = Single point information with time tag M_SP_TA_1 ■ <3> : = Double point information M_DP_TA_1
■ <4> : = Double point information with time tag M_DP_TA_1 □ <5> : = Step position information M_ST_NA_1
□ <6> : = Step position information with time tag M_ST_TA_1 □ <7> : = Bitstring of 32 bit M_BO_NA_1
□ <8> : = Bitstring of 32 bit with time tag M_BO_TA_1
■ <9> : = Measured value, normalised value M_ME_NA_1
■ <10> : = Measured value, normalised value with time tag M_ME_TA_1 ■ <11> : = Measured value, scaled value M_ME_NB_1
■ <12> : = Measured value, scaled value with time tag M_ME_TB_1
□ <13> : = Measured value, short floating point value M_ME_NC_1
□ <14> : = Measured value, short floating point value with time tag M_ME_TC_1 ■ <15> : = Integrated totals M_IT_NA_1
■ <16> : = Integrated totals with time tag M_IT_TA_1
□ <17> : = Event of protection equipment with time tag M_EP_TA1
□ <18> : = Packed start events of protection equipment with time tag M_EP_TB1 □ <19> : = Packed output circuit information of protection equipment with time
tag M_EP_TC_1
□ <20> : = Packed single point information with time tag M_PS_NA_1
□ <21> : = Measured value, normalised value without quality descriptor
M_ME_ND_1
■ <30> : = Single point information with time tag CP56Time2a M_SP_TB_1 ■ <31> : = Double point information with time tag CP56Time2a M_DP_TB_1
□ <32> : = Step position information with time tag CP56Time2a M_ST_TB_1 □ <33> : = Bitstring of 32 bit with time tag CP56Time2a M_BO_TB_1
■ <34> : = Measured value, normalised value with time tag CP56Time2a
100
■ <35> : = Measured value, scaled value with time tag CP56Time2a M_ME_TE_1
□ <36> : = Measured value, short floating point value with time tag CP56Time2a
M_ME_TF_1
■ <37> : = Integrated totals with time tag CP56Time2a M_IT_TB_1 □ <38> : = Event of protection equipment with time tag CP56Time2a M_EP_TD_1
□ <39> : = Packed start events of protection equipment with time tag
CP56Time2a M_EP_TE_1
□ <40> : = Packed output circuit inform.of protection equip. with time tag
CP56Time2a M_EP_TF_1
Process information in control direction
■ <45> : = Single command C_SC_NA_1 ■ <46> : = Double command C_DC_NA_1
□ <47> : = Regulating step command C_RC_NA_1
□ <48> : = Set point command, normalized value C_SE_NA_1 □ <49> : = Set point command, scaled value C_SE_NB_1
□ <50> : = Set point command, short floating point value C_SE_NC_1
□ <51> : = Bitstring of 32 bit C_BO_NA_1
■ <133> : = SPA buffer (for transparent SPA communication)2 C_SB_NA_1
System information in monitor direction
■ <70> : = End of initialization M_EI_NA_1
Process information in control direction
■ <100> : = Interrogation command C_IC_NA_1
■ <101> : = Counter interrogation command C_CI_NA_1 ■ <102> : = Read command C_RD_NA_1