CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI
1.7. Thiết bị đầu cuối ở xa RTU
1.7.1. Các thành phần trong RTU
Hình 1-11: Các thành phần cấu tạo RTU
RTU có cấu tạo gồm các thành phần chính sau đây: Phân hệ truyền thông:
Phân hệ truyền thông là giao diện giữa mạng truyền thông SCADA với khối xử lý của RTU. Bộ phận này nhận các bản tin từ máy chủ, thông dịch và thực thi bản tin, RTU cũng gửi bản tin báo hoàn thành tác vụ về trạm chủ. Đồng thời thu thập dữ liệu từ cấp trường, xử lý và truyền về máy chủ. RTU cũng có thể giao tiếp với một hoặc nhiều máy chủ.
Phân hệ logic:
Phân hệ logic (Logic subsystem) gồm bộ xử lý chính và lưu trữ dữ liệu, có nhiệm vụ quản lý tất cả các quá trình khác xảy ra trong RTU: chuyển đổi ADC, tính toán, … Phân hệ đầu cuối:
Phân hệ đầu cuối (Termination subsystem) đóng vai trò giao diện giữa RTU với các hệ thống bên ngoài như: dây truyền thông, các thiết bị khác trong trạm, đồng thời cách ly và bảo vệ phân hệ logic với môi trường bên ngoài.
Bộ phận cấp nguồn:
RTU có bộ phận cấp nguồn riêng, thường được lấy từ hệ thống nguồn một chiều của trạm biến áp.
Phân hệ kiểm tra và giao diện ngƣời – máy:
Hình 1-12: Một thiết bị RTU trong TBA 1.7.2. Phân hệ truyền thông
Phân hệ truyền thông đóng vai trò là giao diện giữa mạng truyền thông SCADA với khối xử lý logic của RTU. Các bản tin gửi từ trạm chủ được nhận và xử lý bởi đơn vị truyền thông. Sau đó RTU thực hiện các câu lệnh tương ứng với nội dung bản tin trên thiết bị trường, sau đó gửi bản tin xác nhận về trạm chủ.
Đơn vị này cũng nhận các dữ liệu từ mức trường, xử lý và gửi các thông tin lên trạm chủ thông qua mạng truyền thông SCADA.
Như vậy, phân hệ truyền thông của RTU chịu trách nhiệm thông dịch và định dạng các bản tin nhận được gửi đi/nhận từ trạm chủ, nó bao gồm các chức năng sau:
Giao thức truyền thông: Có nhiều giao thức truyền thông khác nhau cùng tồn
tại trong hệ thống tự động hóa, đơn vị truyền thông của RTU phải được thiết kế để định dạng vào giải mã các giao thức yêu cầu.
Bảo mật bản tin: Dữ liệu trong hệ thống SCADA rất quan trọng, việc mất mát
dữ liệu có thể dẫn đến những hệ quả nguy hiểm. Có nhiều phương thức để bảo mật các bản tin: kiểm tra chẵn – lẻ, mã CRC (Cyclic redundancy check), …
Truyền thông đa kênh: các RTU hiện đại trong hệ SCADA phải truyền thông
với nhiều trạm chủ, đồng thời cũng phải giao tiếp với các RTU và IED ngang hàng khác với nhiều giao thức khác nhau.
1.7.3. Phân hệ logic
Phân hệ logic chứa bộ xử lý và điều khiển trung tâm của RTU. Các RTU hiện đại ngày nay cho phép thực hiện một số chức năng nâng cao, góp phần giảm tải cho trạm chủ bên cạnh 2 chức năng chính: thu thập, xử lý dữ liệu và thực thi lệnh điều khiển.
Các chức năng chính của RTU là định thời, thu thập dữ liệu và xử lý. Định thời:
Thứ tự xảy ra các sự kiện (SOE – Sequence of events) là một vấn đề quan trọng trong hệ thống điện, phân hệ logic phụ trách ghi lại chuỗi sự kiện xảy ra trong các RTU. RTU cũng thực hiện nhiều chức năng khác dựa trên thời gian. Trạm chủ và RTU hỗ trợ việc đồng bộ hóa thời gian thông qua các bộ thu GPS (độ phân giải tới 1ms).
Một số RTU được đồng bộ hóa từ trạm chủ (6 đến 8 ms). Các sự kiện được ghi lại với chu kỳ tới 1ms.
Thu thập và xử lý dữ liệu:
Các RTU có thể làm việc với cả tín hiệu dạng tương tự hoặc tín hiệu số. Các tín hiệu tương tự được thu thập từ cảm biến gắn trên thiết bị, ví dụ như các tín hiệu dòng điện và điện áp trên đường dây/máy biến áp. Các RTU thế hệ đầu có các mô đun chuyển đổi ADC, nối với thiết bị trường để đo đạc các tín hiệu. Ngày nay với các tiến bộ trong công nghệ ADC và mạng truyền thông, các thiết bị trường cũng được trang bị các bộ xử lý và có thể truyền trực tiếp tín hiệu số tới RTU thông qua mạng LAN. Thu thập dữ liệu số:
Các tín hiệu số chỉ gồm 2 giá trị, có thể là trạng thái đóng/ mở của một tiếp điểm, bât/ tắt của một thiết bị. Các tín hiệu số có thể được thu thập bằng các cách sau:
- Trạng thái hiện thời của tín hiệu.
- Trạng thái hiện thời có nhớ.
- Chuối sự kiện (SOE), với các tag thời gian.
- Giá trị cộng dồn: đếm số lần theo thời gian.
Việc thu thập tín hiệu số có thể thực hiện bằng cách quét tất cả các đầu vào hoặc thu thập dựa trên cơ chế ngắt. Chỉ các RTU có bộ xử lý bên trong mới thích hợp cho việc ghi các chuỗi sự kiện SOE.
Thu thập dữ liệu tƣơng tự:
Các tín hiệu tương tự, có thể là điện áp/dòng điện theo thời gian, thường được chuyển thành tín hiệu dòng 4 ÷ 20 mA bằng các bộ chuyển đổi thích hợp. Cá biệt có một số trường hợp sử dụng chuẩn – 1 ÷ 1 mA. Các mạch chuyển đổi ADC sau đó chuyển những tín hiệu tương tự này sang dạng nhị phân để RTU có thể xử lý được.
Các tín hiệu tương tự được sử dụng phải có khả năng kháng được các nhiễu điện từ trong trạm biến áp.
Các tín hiệu của mạch dòng 4 ÷ 20 mA có thể kháng lại các nguồn nhiễu trong trạm và là chuẩn đầu vào thích hợp nhất cho các bộ chuyển đổi A/ D. Ngưỡng dòng 4 mA được dùng để phát hiện sự cố đứt dây, bởi vì khi đó dòng điện sẽ trở về 0 mA. Phân hệ logic của RTU cũng có thể thực hiện nhiều chức năng khác như lọc tín hiệu, tuyến tính hóa, kiểm tra/ cảnh báo các giá trị tới hạn, … nhằm giảm tải cho mạng truyền thông và trạm chủ. RTU thường có nhiều đầu vào tương tự, thông qua các bộ dồn kênh để đưa tới ADC. Với hệ thống dựa trên nền tảng vi xử lý, những đầu vào của các tín hiệu quan trọng có thể được quét thường xuyên hơn so với những đầu vào còn lại.
Các đầu ra tƣơng tự:
Các đầu ra analog được dùng để thay đổi điểm làm việc cho các biến quá trình, như tốc độ động cơ truyền động, mức chất lỏng trong bình, … Chúng thường là các tín hiệu dòng, có độ lớn tỷ lệ với lượng đặt gửi đến từ trạm chủ.
Đầu ra số
Các đầu ra số (đầu ra tiếp điểm) là các lệnh gửi bởi RTU để đóng/ mở các máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, … hoặc các chuyển mạch khác. Đầu ra số thường đóng/ mở cho rơ le trung gian, sau đó mới đưa tới điều khiển các thiết bị khác trong trạm. Trong công nghiệp và hệ thống điện sử dụng rất nhiều loại đầu ra này. Các đầu ra tiếp điểm (Contact output) được chốt và giữ nguyên trạng thái cho tới khi có các lệnh điều khiển khác.
Đầu vào xung:
Đầu vào dạng xung biểu diễn một giá trị số nào đó, giống như các đầu vào tương tự, tuy nhiên chúng được xếp vào một loại riêng. Có hai loại: các xung được đếm liên tục hoặc các xung được đếm trong một khoảng thời gian. Trong hệ SCADA của trạm, đầu vào xung thường được dùng cho việc đo đếm điện năng tiêu thụ từ các đồng hồ công suất.
Đầu ra xung
Các đầu ra xung là dạng đặc biệt của đầu ra số, nó thay đổi trạng thái on/off với số lần định trước. Loại đầu ra này chủ yếu được sử dụng trong các quá trình công nghiệp, nhưng ngày nay hiếm khi được dùng tới, sự tồn tại của nó nhằm tương thích với các thiết bị cũ.
1.7.4. Phân hệ đầu cuối
Phân hệ đầu cuối là giao diện giữa RTU – một thiết bị điện tử, với thế giới bên ngoài. Chức năng chính của nó là bảo vệ RTU khỏi các tác động từ ngoài môi trường như: quá áp, sét, ngược điện áp, phóng tĩnh điện (ESD), nhiễu trường điện từ (EMI), hoặc nhiệt độ, độ ẩm, …
Đối với các đầu vào số của RTU, thường được đưa qua các rơ le trung gian, cấp nguồn bằng hệ thống pin, do đó cách ly được với thiết bị trường. Các bộ cách ly quang cũng thường được sử dụng trong RTU.
Đối với các đầu vào analog, thường đến từ các bộ chuyển đổi, cảm biến, cặp nhiệt, … bản thân chúng đã được cách ly về điện. Các tín hiệu 4 – 20 mA từ những thiết bị này được đưa trực tiếp tới bộ ADC thông qua các cầu chì và được nối đất ở phía RTU.
1.7.5. Phân hệ kiểm tra và giao diện ngƣời máy
RTU nhìn chung được đặt ở các vị trí xa xôi, khó thao tác, thường không có các màn hình hiển thị riêng. Bảng điều khiển của RTU thường chỉ có các đèn LED để chỉ thị trạng thái của card chức năng trong RTU.
RTU thường có chương trình con để kiểm tra phần cứng/ phần mềm và hiển thị trên panel điều khiển. Kết quả kiểm tra và các thông tin liên quan được gửi tới trạm chủ. Nhờ việc giám sát liên tục của firmware trong RTU mà các sự cố có thể được nhận diện và thực hiện các điều chỉnh cần thiết. Phần mềm chẩn đoán card có thể được chạy ở trạm chủ để xác định card có vấn đề và tiến hành sửa chữa.
Giá thành thấp của LED, LCD cho phép RTU được trang bị các màn hình hiển thị riêng, cho phép người vận hành dễ dàng thao tác khi cần.
1.7.6. Các tính năng khác của RTU
Với sự phát triển của công nghệ vi xử lý và mạch tích hợp, RTU ngày nay có nhiều chức năng và đa dụng với những CPU nhanh hơn, nhiều bộ nhớ hơn, khả năng tính toán mạnh hơn.
Trong công nghiệp điện năng, có thể kể tới một số khả năng khác của RTU như sau: Khả năng hoạt động đa cổng và đa giao thức:
Khi hai trạm chủ yêu cầu dữ liệu từ một trạm biến áp, xu hướng sẽ là lắp đặt hai RTU, mỗi thiết bị báo cáo tới một trạm chủ với cùng bộ tham số. Với hệ thống logic dựa trên nền vi xử lý, khả năng tính toán lưu trữ mạnh hơn, một RTU có thể báo cáo đồng thời tới nhiều trạm chủ.
Đôi khi các RTU cũng phải truyền thông với nhiều thiết bị khác để thực hiện chức năng điều khiển nào đó, điều này yêu cầu phải có nhiều cồng truyền thông. Trong trường hợp này, giá thành và độ phức tạp của firmware sẽ tăng lên, tuy nhiên giá thành tổng để cài đặt và vận hành hệ thống lại giảm xuống.
Phân hệ logic của RTU có một cơ sở dữ liệu dùng chung để lưu trữ thông tin của các công vào/ra và các cơ sở dữ liệu thứ cấp tương ứng với các trạm chủ khác nhau. Giao thức sử dụng để truyền thông với mỗi trạm cũng có thể khác nhau, vì vậy mà RTU phải có khả năng hoạt động đa giao thức.
Ví dụ: RTU ở một trạm biến áp sẽ phải truyền thông đồng thời với các máy chủ cục bộ và với trung tâm điều độ quốc gia. Nó cũng có thể phải giao tiếp với các RTU khác ở cùng mức để thực hiện chức năng bảo vệ nào đó.
Điều khiển vòng kín và tính toán ở mức RTU:
Khác RTU hiện đại có khả năng thực hiện điều khiển vòng kín và các thao tác tính toán phức tạp khác. Khả năng này cho phép giảm tải các trạm chủ, và thiết lập cấu hình điều khiển phân tán. Với điều chỉnh vòng kín, giá trị đặt của quá trình được gửi từ trạm chủ, so sánh với giá trị đo lường và xuất ra tín hiệu điều khiển để duy trì đầu ra của quá trình. Ví dụ là các bộ điều chỉnh điện áp dưới tải của máy biến áp. Hay việc điều khiển các kho tụ ở các lộ ra của trạm phân phối nhằm duy trì hệ số công suất, nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất. Khi đó nhiều đại lượng được đo về: điện áp, hệ số công suất, dòng công suất phản kháng, RTU tính toán và đóng cắt các tụ một cách thích hợp. Điều này, rõ ràng sẽ làm giảm tải cho các trạm chủ.
1.8. Thiết bị điện tử thông minh IED
IED (Intelligent electronic device) được định nghĩa là các thiết bị tích hợp một hay nhiều bộ vi xử lý với khả năng truyền/ nhận dữ liệu hoặc điều khiển từ một nguồn bên ngoài (Ví dụ: các đồng hồ điện tử, rơ le số, bộ điều khiển, …).
Ngày nay, IED phát triển rất mạnh trong tự động hóa trạm, việc dịch chuyển từ RTU sang IED là xu hướng tất yếu do mức độ tích hợp và các tính năng mạnh mẽ của IED.
Hình 1-13: Thiết bị IED REF 545 của hãng ABB.
IED được giới thiệu vào đầu những năm 1980, với các tính năng điều khiển trên nền vi xử lý. Sự phát triển IED là cuộc cách mạng hóa của bảo vệ và tự động hóa trạm biến áp. Các rơ le bảo vệ phát triển từ các loại rơ le cơ – điện đơn chức năng sang các rơ le số đa chức năng dựa trên nền vi xử lý, và tiến tới tích hợp nhiều tính năng bảo vệ trong cùng một rơ le. Tuy nhiên, cuộc cách mạng IED bắt đầu từ khi các chức năng như đo lường chính xác góc pha dòng điện, điện áp, đo dạng sóng, … được tích hợp vào trong các rơ le. Sự phát triển của hạ tầng truyền thông, các giao thức chuẩn là những nhân tố chính dẫn tới sự bùng nổ của IED. Các IED được đóng gói với khả năng điều khiển và giám sát, phân tích báo cáo sự cố, có thể quản lý toàn bộ trạm biến áp mà không cần đến con người. Một số ưu điểm:
- Chí phí lắp đặt và vận hành thấp.
- Thời gian bảo dưỡng ngắn hơn.
- Thời gian phục hồi sau sự cố nhanh.
- Độ tin cậy cao hơn nhờ tự động hóa, tích hợp và cài đặt thích nghi.
1.8.1. Sơ đồ chức năng IED
Hình 1-14 minh họa sơ đồ cấu trúc của một thiết bị điện tử thông minh. Các IED ngày nay có cấu trúc dạng module đảm bảo khả năng đa dụng, linh hoạt và tính năng truyền thông bền vững đa giao thức, nhiều cổng kết nối và thời gian đáp ứng nhanh với tín hiệu thời gian thực. IED cũng có khả năng xử lý dữ liệu mạnh mẽ phục vụ nhiều mục đích khác nhau như bảo vệ, đo lường. IED có thể ghi sự kiện xảy ra, phục vụ cho việc phân tích, đo lường chất lượng điện năng. Điều này loại bỏ các bộ ghi và theo dõi bên ngoài. IED cũng có thể nhận và gửi các tín hiệu tương tự, các tín hiệu số với thang đo điều chỉnh được.
Hình 1-14: Các khối chức năng của IED
Hình 1-15: Các chức năng của IED 1.8.2. Cấu trúc của IED
Cấu trúc của IED cần đảm bảo yếu tố đơn giản trong sử dụng, lập trình và bảo dưỡng thiết bị. Phần cứng được thiết kế với khả năng mở rộng trong tương lai trong khi phần mềm cần đảm bảo các tính năng như bảo vệ, điều khiển, đo lường và truyền thông một cách độc lập.
Phần cứng IED thiết kế với nhiều modun cho phép dễ dàng thay thế, bảo dưỡng mà không phải ngắt các kết nối và panel điều khiển.
Hình 1-16: Cấu trúc của một IED 1.8.3. Phân hệ truyền thông
Các thiết bị IED có khả năng truyền thông linh hoạt, hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau, với nhiều cổng truyền thông, hỗ trợ kiến trúc mở. Các thiết bị IED hiện đại có thể giao tiếp với màn hình HMI, với trạm chủ, hoặc với các thiết bị IED khác.
1.8.4. Các tính năng nâng cao của IED
Tính năng bảo vệ và quan sát góc pha.
Có khả năng lập trình được.
Đo lường và phân tích chất lượng điện năng.
Khả năng tự chẩn đoán lỗi thiết bị.
Báo cáo sự kiện và chuẩn đoán sự cố.
Hình 1-17: Khả năng truyền thông của IED 1.9. Hệ thống truyền thông SCADA
Hệ thống truyền thông đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống SCADA, đặc biệt