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 là các ứng dụng thời gian thực như SCADA trạm và hệ thống điện.
Mạng truyền thông bao gồm các thiết bị dùng để thực hiện việc trao đổi dữ liệu giữa các Server trung tâm và các trạm đầu cuối RTU, IED. Môi trường truyền dẫn có thể là có dây (cáp quang/cáp điện) hoặc không dây (Sóng radio).
Cáp thường được dùng trong các nhà máy với phạm vi triển khai hệ thống nhỏ, dưới một vài km. Khi phải triển khai hệ thống trên diện rộng, người ta thường không dùng cáp vì cho phí xây dựng, quản lý, bảo dưỡng, sữa chữa sẽ rất cao. Khi đó người có thể chuyển sang dùng đường điện thoại (LeasedLine hoặc Dial-up) của các mạng điện thoại công cộng có sẵn để tiết kiệm chi phí. LeasedLine (kênh thuê bao cố định) thường được ứng dụng cho những hệ thống SCADA đòi hỏi luôn phải có sự kết nối online giữa trung tâm và các trạm đầu cuối. Còn Dial-up thường được áp dụng cho những hệ thống chỉ yêu cầu trao đổi dữ liệu theo chu kỳ hoặc khi cần thiết. Lúc đó khi cần trao đổi thông tin, máy chủ tại trung tâm sẽ chủ động quay số để tạo kết nối với các trạm đầu cuối và thực hiện trao đổi thông tin. Trong hai phương thức này, LeasedLine sẽ có chi phí cao hơn vì chúng ta phải thuê hẳn một kênh truyền riêng của nhà cung cấp điện thoại cố định. Còn dùng Dial-up thì chi phí tương tự như các thuê bao điện thoại khác.
Đối với những trạm đầu cuối ở xa có địa hình phức tạp hoặc không có các hạ tầng thông tin có sẵn (chẳng hạn như mạng điện thoại công cộng), việc triển khai một đường truyền có dây sẽ rất tốn kém và phức tạp. Khi đó người ta thường dùng các
sẽ được dùng để tạo các kết nối giữa trung tâm và các trạm đầu cuối ở xa. Với phương tiện này, chúng ta hoàn toàn có thể tạo ra một đường kết nối online. Đối với những vị trí không thể tạo ra đường kết nối trực tiếp, người ta có thể dùng các bộ lặp (Repeater) để tạo kết nối theo kiểu liên vùng hoặc chuyển tiếp.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các mạng máy tính văn phòng (LAN: local Area Network) và mạng máy tính diện rộng (WAN: Wide Area Network), người ta đã xây dựng những giải pháp triển khai SCADA trên nền mạng LAN và WAN, hoặc SCADA chạy tích hợp và hoạt động chung với các ứng dụng khác trên các LAN, WAN có sẵn. Ưu điểm của giải pháp này là có thể tận dụng lại các trang thiết bị có sẵn trên mạng văn phòng của chúng ta như các máy PC làm máy vận hành chẳng hạn. Hơn nữa, cơ sở dữ liệu thông tin của SCADA sẽ được khai thác trực tiếp cho các ứng dụng chuyên môn cần đến nó.
1.10. Giao diện ngƣời máy HMI
Giao diện người – máy HMI (Human – machine interface) là nơi diễn ra sự tương tác giữa con người và hệ thống máy móc. Mục tiêu của giao diện HMI là giúp cho việc vận hành, điều khiển hệ thống được hiệu quả. Vì vậy chúng phải dễ dàng sử dụng, thân thiện với người dùng. Người vận hành chỉ cần cung cấp số đầu vào tối thiểu để thu được đầu ra như mong muốn.
Các thành phần của HMI
Trong hệ thống SCADA, giao diện HMI bao gồm những thành phần sau đây: bảng điều khiển, hộp thoại vận hành, sơ đồ mimic và các thiết bị ngoại vi.
Bảng điều khiển:
Bảng điều khiển (Operator console) là nơi người vận hành giám sát, điều khiển là thành phần rất quan trọng, gồm có bộ phận hiển thị, bàn phím, chuột, … Bộ phận hiển thị thường là các màn hình màu như CRT, LCD. Bộ phận nhập liệu có thể là chuột, bàn phím, hoặc các màn hình cảm ứng.
Hộp thoại vận hành
Hộp thoại vận hành (Operator dialogue) là cách người vận hành truyền thông với máy tính. Các hộp thoại và lệnh thường được thiết kế đơn giản và dễ nhớ. Một số phím có thể được lập trình cho một lệnh hoặc hành động thường xuyên xảy ra, thay cho những thao tác phức tạp để thực hiện lệnh đó.
Sơ đồ mimic
Sơ đồ mimic là thành phần cơ bản của các trung tâm điều khiển, tại đó người vận hành và các nhân viên có cái nhìn toàn cảnh về hệ thống được điều khiển.
Thiết bị ngoại vi: thường là các máy in. 1.11. Các chức năng của SCADA trạm biến áp
Thông tin thể hiện trên sơ đồ nhất thứ: các thông tin chỉ trạng thái của các thiết
bị chuyển mạch, các cảnh báo nếu có trên các thiết bị, các giá trị đo lường, đo đếm, tình trạng làm việc của thiết bị (mang điện, không mang điện, tiếp đất, …)
Hiển thị thông tin trực quan: thông tin được trình bày sao cho người sử dụng
nhanh chóng nhận biết thông tin, nghĩa là được thể hiện dưới dạng đồ họa, dưới các màu khác nhau, dưới các khối hình thể khác nhau, v.v.
Hiển thị sơ đồ nhất thứ: là một cách thể hiện sơ đồ nhất thứ của một TBA hay
của một vùng lưới điện phân phối hoặc toàn bộ lưới điện phân phối. Lưới điện có thể được hiển thị kèm với hệ thống thông tin địa lý (GIS).
Chức năng lập báo biểu, thống kê (reporting): cho phép người dùng trích xuất
các báo cáo hay lập các biểu đồ thống kê về thông tin do hệ thống SCADA/DMS quản lý và lưu trữ.
Chức năng phân quyền (authorization): chương trình cho phép người sử dụng
phân chia quyền truy nhập thông tin cũng như các quyền mà người sử dụng được phép trên hệ thống.
Chức năng mô phỏng, đào tạo (training simulation): giải quyết các bài toán thực tế trong môi trường mô phỏng hoặc dùng để đào tạo người sử dụng
Chức năng cài đặt các ràng buộc (khoá liên động): đối với thao tác trên các thiết
bị điện: cấm đóng, cấm cắt, v.v.
Chức năng phân tích sự cố: Nhờ việc thu thập và lưu trữ lại các thông số đo được
trên hệ thống và các tác động của bảo vệ rơ le, hệ thống SCADA có thể được sử dụng để trình bày lại các sự kiện trong quá khứ, phục vụ phân tích sự cố.
Chức năng ghi nhận sự kiện theo tuần tự (SOE): là một chương trình ghi lại tất
cả các sự kiện trên hệ thống điện (thay đổi trạng thái của các thiết bị, tác động bảo vệ rơle v.v…) theo trình tự thời gian với độ phân giải là 1ms.
Chức năng cảnh báo: Chương trình cho phép người dùng thiết lập các cảnh báo
khi hệ thống phát hiện các thay đổi bất thường hoặc khi có các sự kiện xảy ra trên các thiết bị điện được giám sát (điện áp thấp, máy cắt mở, v.v.). Chức năng cảnh báo còn được áp dụng cho cả các thiết bị RTU, máy tính, thiết bị thông tin.
1.12. Kết luận chƣơng 1
Chương này trình bày tổng quan về hệ thống truyền tải điện của mạng điện Việt Nam, vài trò của trạm phân phối trong hệ thống cung cấp điện.
Phân tích cấu hình của trạm phân phối, các thiết bị trong trạm: Máy biến áp, máy cắt, dao cách ly, TI, TU,… cùng thông số kỹ thuật và nguyên lý hoạt động của thiết bị.
Chương 1 cũng trình bày các vấn đề về tự động hóa trạm biến áp, ứng dụng của hệ thống điều khiển giám sát SCADA trong ngành điện.
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SCADA ĐIỆN LỰC 2.1. Khái quát chung
Hệ thống truyền thông SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp giữa thiết bị trường với trung tâm điều khiển, hoặc giữa các thiết bị với nhau. Thông qua các kênh truyền thông, trung tâm điều khiển có thể truy cập từ xa các dữ liệu trường theo thời gian thực và xác định trạng thái của hệ thống: các vector dòng điện, điện áp trên thanh cái, phụ tải hiện thời, các vị trí của máy cắt, dao cách ly, … Lệnh điều khiển từ trung tâm cũng được gửi trở lại các thiết bị trường nhằm thực hiện một thao tác nào đó, giữ cho hệ thống điện ổn định và an toàn.
Trước đây, hệ thống truyền thông SCADA chỉ giới hạn ở một số thành phần quan trọng của hệ thống điện. Ngày nay với sự phát triển không ngừng của lưới điện thông
minh (smart – grid), hệ thống truyền thông cùng với các hệ thống tự động hóa đã phát
triển rộng khắp, từ khâu phát điện, tới truyền tải, phân phối điện năng và tới người dùng cuối.
So với các lĩnh vực tự động hóa công nghiệp khác, hệ thống truyền thông đóng vai trò nổi bật trong ngành điện bởi 2 yếu tố sau:
1. Sự mở rộng của hệ thống điện, phạm vi điều khiển bao trùm nhiều vùng địa lý tới hàng ngàn kilometer, đòi hỏi phải có một hệ thống truyền thông đủ tin cậy, bền vững và khả thi về mặt vật lý.
2. Tốc độ truyền dữ liệu chỉ cỡ millisecond đối với các thông tin quan trọng của hệ thống, đòi hỏi phải có những kỹ thuật và giao thức phù hợp với yêu cầu này. Một kênh truyền thông nhanh là yêu cầu thiết yếu với một số chức năng như đo lường pha (PMU – phasor measurement unit), điều khiển phát điện, dữ liệu về quá trình quá độ, sự dao động trong hệ thống, … Thông tin về việc đóng/mở các máy cắt, dao cách ly sẽ tới phòng điều khiển sau khoảng 1 – 2s, trong khi các giá trị đo lường analog phải được gửi tới trong khoảng 15 – 60s. Các dữ liệu khác như số chỉ đồng hồ, thông tin dạng sóng ,… có thể tới sau khoảng thời gian dài hơn.
2.2. Các yêu cầu truyền thông SCADA trong hệ thống điện
Nói chung, để một hệ truyền thông SCADA hoạt động đúng chức năng, cần phải thỏa mãn những yếu tố nhất định. Sau đây là một số yêu cầu cơ bản:
Các luồng dữ liệu phải được định danh, bao gồm: kích thước, nguồn và đích
của dữ liệu.
Cấu trúc hệ thống: mạch vòng, hình sao, cấu trúc dạng lưới, hoặc cấu trúc lai.
Các khả năng bộ xử lý và các thiết bị truyền thông sử dụng trong mạng. Sơ đồ
đánh địa chỉ khi thiết kế hệ thống truyền thông.
Các đặc tính vận chuyển (traffic characteristic) cũng rất quan trọng do các yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian truyền dữ liệu trong hệ thống điện.
Các yêu cầu về hiệu năng của hệ thống truyền thông cần được làm rõ.
Độ tin cậy truyền thông, khả năng sao lưu hệ thống, khả năng khắc phục sự cố.
Việc định thời trong truyền thông.
Định dạng dữ liệu ứng dụng, và các yêu cầu với dịch vụ ứng dụng.
Có khả năng kháng nhiễu điện từ.
Các yêu cầu về mặt vận hành: các chỉ dẫn, bảo mật, quản lý mạng.
Trong hệ thống phân phối điện được tự động hóa ở mức tối thiểu, thông tin ở các trạm biến áp được giám sát và gửi tới các cấp điều khiển cao hơn. Khi hệ thống được tăng cường các khả năng điều khiển và truyền thông, sẽ hình thành lưới điện thông
minh (smart grid). Hạ tầng truyền thông được dùng để thu thập các dữ liệu từ khách
hàng và gửi thông tin từ trung tâm điều khiển tới người tiêu dùng. Động lực thúc đẩy sự phát triển của truyền thông trong lưới điện thông minh là nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, đem lại lợi ích cho khách hàng, và để bảo vệ môi trường.
Hình 2-1: Hạ tầng truyền thông trong lưới điện thông minh.
Hình 2.1 thể hiện hạ tầng truyền thông trong lưới điện thông minh có sự mở rộng tới các hộ tiêu thụ, với nhiều lợi ích đạt được. Đầu tiên là sự cải thiện trong trải nghiệm người dùng. Ví dụ, sự cố mất điện khi xảy ra sẽ nhanh chóng được thông báo tới nhà cung cấp. Thời gian mất điện được giảm thiểu, hệ thống trở nên tin cậy hơn. Hệ thống
và cung cấp một số công cụ cho người dùng để giảm lượng tiêu thụ của họ trong thời gian cao điểm, nâng cao độ tin cậy cho hệ thống điện. Bằng việc đảm bảo sự tham gia của khách hàng, năng suất được nâng cao, giảm giá thành bảo dưỡng và vận hành hệ thống. Người vận hành có thể nhận được các thông tin thiết yếu theo thời gian thực, do vậy khả năng ra quyết định trong các tình huống xảy ra sự cố trên lưới cũng được cải thiện.
Các yêu cầu chính đối với hệ thống truyền thông trong lưới điện thông minh như sau:
2.2.1. Chất lƣợng dịch vụ (QoS)
Chất lượng dịch vụ (Quality of service – QoS) gồm 3 thành phần chính: thời gian trễ
giữa nguyên nhân và kết quả khi có sự thay đổi trong hệ thống được theo dõi, băng thông và khả năng đáp ứng. Công nghệ truyền thông trong smart grid đặc trưng bởi tính thời gian thực: các thông tin giám sát đo lường cần được gửi tới trung tâm điều khiển trong khoảng thời gian rất ngắn (cỡ milli giây), các yêu cầu về băng thông tăng lên với nhiều bản tin được truyền đi.
2.2.2. Tính tƣơng đồng
Sự tương đồng (Interoperability) được hiểu là nhiều kiểu hệ thống khác nhau cùng
làm việc, việc trao đổi thông tin được thông qua các thiết bị có tính tương thích. Khả năng này cho phép truyền thông 2 chiều và sự kết hợp giữa các thiết bị khác nhau trong smart grid.
2.2.3. Khả năng bảo mật
Hạ tầng truyền thông trong lưới điện thông minh có thể bị tổn hại do các cuộc tấn công khi nhiều thiết bị được kết nối mạng. Vấn đề có thể đến từ các nhân viên bất mãn, khủng bố, hoặc do thao tác sai của con người, lỗi thiết bị, thiên tai. Nếu hệ thống bảo mật kém, kẻ tấn công có thể xâm nhập thông qua các mạng truyền thông, truy cập vào phần mềm và thay đổi các cài đặt làm mất ổn định lưới điện.
2.2.4. Sự chuẩn hóa
Một lưới điện thông minh sử dụng nhiều tiêu chuẩn khác nhau trong các khâu phát điện, truyền tải, phân phối, điều khiển và truyền thông định nghĩa bởi IEEE. IEEE P2030 là một nhóm tiêu chuẩn như vậy, tập trung vào 3 lĩnh vực chính: năng lượng, công nghệ thông tin và truyền thông.
2.3. Các cấu trúc truyền thông SCADA
Các thiết bị trong hệ thống SCADA có thể được kết nối truyền thông theo nhiều cách khác nhau, giúp cho việc vận hành hiệu quả hệ thống điện. Các cấu trúc truyền thông SCADA có thể phân thành 2 dạng: cấu trúc vật lý (cách thức kết nối các thiết bị về mặt vật lý) và cấu trúc logic (cách thức thông tin truyền qua mạng).
2.3.1. Liên kết điểm – điểm và đa điểm
Về mặt vật lý, hai thiết bị có thể được kết nối với nhau theo 2 cách: liên kết điểm – điểm (point to point), trong đó chỉ có 2 thiết bị liên kết truyền thông với nhau. Toàn bộ dung lượng của kênh truyền được dùng bởi 2 thiết bị.
Thứ 2 là liên kết đa điểm (multi – drop, multi point), một liên kết truyền thông được chia sẻ bởi nhiều hơn 2 thiết bị. Kênh truyền được chia sẻ giữa các thiết bị theo 2 cách. Chia sẻ thời gian, một khoảng thời gian cụ thể được cấp phát cho mỗi thiết bị. Chia sẻ không gian, các thiết bị sử dụng kênh truyền cùng lúc.
Khi nhiều liên kết (link) được dùng để kết nối các thiết bị (node), chúng tạo thành một cấu trúc mạng. Dựa trên phương thức kết nối các thiết bị, ta có một số cấu trúc thông dụng như: bus, mạch vòng (ring), cấu trúc hình sao (star), cấu trúc lưới (mesh), hoặc kết hợp của những cấu trúc này.
Hình 2-2: Liên kết điểm – điểm và liên kết nhiều điểm. 2.3.2. Cấu trúc bus
Cấu trúc bus tương đối linh hoạt, được sử dụng rộng rãi trong truyền thông SCADA. Tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản nhất của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt.