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.
Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính đơn giản, dễ thực hiện là những ưu điểm chính của cấu trúc bus. Trường hợp một trạm không làm việc (do hỏng hóc, mất nguồn, …) không ảnh hưởng tới phần mạng còn lại. Một số hệ thống còn cho phép tách một trạm ra khỏi mạng hoặc thay thế một trạm trong khi cả hệ thống vẫn hoạt động bình thường.
Tuy nhiên, cấu trúc đơn giản này cũng có một số điểm hạn chế:
Một tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và theo một trình tự không kiểm
Tất cả các trạm đều có khả năng phát và phải luôn luôn "nghe" đường truyền để phát hiện ra một thông tin có phải gửi cho mình hay không, do vậy hạn chế số trạm trong một đoạn mạng.
Chiều dài dây dẫn khá lớn, có thể gây ra hiện tượng phản xạ làm giảm chất lượng của tín hiệu. Để khắc phục vấn đề này, người ta thường chặn hai đầu dây bằng các điện trở đầu cuối (resitor terminator).
Trường hợp đường truyền bị đứt, ngắn mạch trong phần kết nối bus của một trạm bị hỏng đều dẫn đến ngưng hoạt động của cả hệ thống. Việc xác định vị trí xảy ra sự cố cũng gặp phải nhiều khó khăn.
Khó khăn khi áp dụng các kỹ thuật truyền tín hiệu mới như sử dụng cáp quang.
Hình 2-3: Cấu trúc bus. 2.3.3. Cấu trúc mạch vòng (Ring)
Trong cấu trúc dạng vòng, tất cả các nút mạng, bao gồm cả trạm chủ (master) tạo
thành một vòng khép kín (Ring, closed loop), các bản tin được gửi giữa các nút theo
một chiều nhất định. Nếu bản tin không được chấp nhận bởi bất kỳ trạm nào trong mạng, nó sẽ trở về trạm gửi và được hủy bỏ. Cấu trúc này cũng cho phép truyền thông trực tiếp giữa các trạm. Nhược điểm chính của cấu trúc này là khi xảy ra sự cố hỏng hóc ở một nút sẽ làm ngưng toàn bộ hoạt động của mạng. Việc tăng/giảm số lượng trạm cũng là vấn đề do phải dừng việc truyền thông lại. Việc phát hiện, cách ly sự cố cũng gặp khó khăn.
Hình 2-4: Cấu trúc Ring. 2.3.4. Cấu trúc hình sao (Star)
Cấu trúc hình sao (star) là một có trúc mạng có một trạm trung tâm ở giữa, kết nối
với tất cả các nút khác và điều khiển hoạt động truyền thông của toàn mạng. Các thành viên khác được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm.
Cấu trúc này dễ dàng phát triển, bảo dưỡng, giám sát. Việc thêm/bớt các nút mạng cũng rất dễ dàng. Hơn nữa, khi có một thiết bị nào đó ở một nút thông tin bị hỏng thì mạng vẫn hoạt động bình thường. Cấu trúc mạng đơn giản và các thuật toán điều khiển ổn định. Mạng có thể mở rộng hoặc thu hẹp tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng.
Một nhược điểm của cấu trúc hình sao là khi trạm trung tâm gặp sự cố sẽ làm ngừng hoạt động của toàn mạng. Vì vậy trạm trung tâm này phải có độ tin cậy rất cao.
Nhược điểm tiếp theo của cấu trúc này là tốn dây dẫn. Do yêu cầu phải nối độc lập riêng rẽ từng thiết bị ở các nút thông tin đến trung tâm. Khoảng cách đến máy trung tâm cũng bị hạn chế.
Hình 2-5: Cấu trúc hình sao. 2.3.5. Cấu trúc lƣới (Mesh)
Cấu trúc lưới (mesh) cũng có thể được sử dụng, đó là một cải tiến của cấu trúc mạch
2.3.6. Cấu trúc lai
Là sự kết hợp các kiểu kết nối khác nhau ví dụ hình cây là cấu trúc phân tầng hình sao hay các Hub có thể được nối với nhau theo kiểu Bus còn từ Hub nối máy tính theo dạng hình sao.
Hình 2-6: Cấu trúc lai. 2.3.7. Luồng dữ liệu
Dữ liệu trao đổi giữa hai thiết bị có thể theo 2 cách: một chiều hoặc hai chiều. Ở chế
độ đơn công (một chiều – simplex), thông tin chỉ đi theo một chiều duy nhất, một trạm
chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên nhận thông tin (receiver)
trong suốt quá trình giao tiếp.
Chế độ truyền hai chiều gián đoạn (half duplex) cho phép mỗi trạm có thể tham gia
gửi hoặc nhận thông tin, nhưng không cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý. Ưu điểm của chế độ này là không đòi hỏi cấu hình hệ thống phức tạp, trong khi có thể đạt được tốc độ truyền khá cao. Một trạm có cả một bộ phát và một bộ thu. Trong khi bộ phát làm việc thì bộ thu nghỉ và ngược lại. Do đặc tính này, chế độ truyền hai chiều gián đoạn thích hợp với kiểu liên kết đa điểm, sử dụng cấu trúc bus. Khi một trạm phát thì tất cả các trạm khác trên bus phải được giữ ở trạng thái thu nhận tín hiệu.
Với chế độ truyền hai chiều toàn phần (full duplex), mỗi trạm đều có thể gửi và nhận thông tin đồng thời. Thực chất, chế độ này chỉ khác với chế độ 2 chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát, tức là khác ở cấu hình hệ thống truyền thông. Chế độ này phù hợp với dạng liên kết điểm – điểm, sử dụng trong các cấu trúc mạch vòng và cấu trúc hình sao.
2.4. Các kỹ thuật truyền thông dữ liệu SCADA 2.4.1. Chủ - tớ (Master – slave) 2.4.1. Chủ - tớ (Master – slave)
Trong chế độ truyền thông chủ - tớ (master – slave), một thiết bị đóng vai trò master điều khiển kênh truyền và định thời. Tất cả các thiết bị khác chỉ có thể truyền tin nếu được trạm chủ khởi tạo và cho phép truyền thông. Các trạm tớ không thể truyền tin với
nhau một cách độc lập mà phải thực hiện gián tiếp thông qua master. Kỹ thuật này có thể được sử dụng trên nhiều cấu trúc mạng khác nhau, và cho phép đặt quyền ưu tiên khi thu thập dữ liệu ở một số hệ thống. Phương pháp này sử dụng tài nguyên truyền thông ở mức tối thiểu, tốc độ truyền tin khá chậm. Một trạm chủ trong hệ SCADA thường khởi tạo truyền thông từ các thiết bị tớ RTU và IED.
Phương pháp chủ - tớ có ưu điểm là việc kết nối mạng ở các trạm tớ đơn giản, đỡ tốn kém bởi hầu hết thao tác xử lý được tập trung tại trạm chủ. Hơn nữa, các trạm chủ thường là thiết bị điều khiển, vì vậy khả năng tích hợp thêm chức năng truyền thông là điều không khó khăn.
Một nhược điểm của phương pháp chủ - tớ là hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ bị giảm do phải gửi dữ liệu đi qua khâu trung gian là trạm chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng đường truyền.
Một hạn chế nữa là độ tin cậy của hệ thống truyền thông phụ thuộc hoàn toàn vào một trạm chủ duy nhất. Trong trường hợp xảy ra sự cố ở trạm chủ thì toàn bộ hệ thống truyền thông ngừng làm việc.
Với những lý do nêu trên, phương pháp chủ - tớ thường được dùng trong các hệ thống bus cấp thấp (bus trường, bus thiết bị), khi việc trao đổi thông tin chỉ diễn ra giữa thiết bị điều khiển (trạm chủ) với các module vào/ra (trạm tớ).
2.4.2. Peer – to – peer
Ở chế độ hoạt động peer – to – peer, một thiết bị có thể khởi tạo truyền thông với bất kỳ thiết bị nào khác trên mạng; mọi thiết bị đều ngang hàng, tuy vậy một thiết bị quản lý bus có thể được dùng để điều khiển luồng thông tin trên mạng. Trong các hệ thống SCADA, trạm chủ nhận đa số dữ liệu và khởi tạo các lệnh điều khiển, tuy nhiên các thiết bị khác cũng có khả năng khởi tạo truyền thông. Mạng vẫn có thể hoạt động thậm chí khi trạm master gặp sự cố. Cấu trúc hình sao không hỗ trợ chế độ này, bởi vì tất cả các kết nối đều kết thúc ở trạm chủ và không có khả năng truyền thông giữa bản thân các nút. Hiệu suất sử dụng tài nguyên truyền thông tốt hơn, nhưng khi số nút tăng lên, hiệu suất sẽ giảm xuống.
2.4.3. Multi – peer
Kỹ thuật multi – peer cho phép một trạm truyền thông với nhiều trạm khác trong nhóm theo 2 cách: broadcast và multicast. Với broadcast, trạm chủ động sẽ gửi một bản tin tới tất cả các trạm khác trên mạng, không có gói bắt tay. Đối với multicast, trạm chủ động gửi các bản tin tới một nhóm các thiết bị xác định trước, và cũng không có gói bắt tay.
2.5. Truyền thông dữ liệu
Sensor đo tín hiệu từ các thiết bị trường (tín hiệu tương tự và số), qua chuyển đổi ADC và gửi tới RTU/IED. Hệ thống truyền thông SCADA truyền các dữ liệu dưới
Phần này trình bày về truyền thông dữ liệu, trong đó thông tin được trao đổi giữa các thiết bị trường (cần giám sát/điều khiển) với các thiết bị đặt tại trạm biến áp/ trung tâm điều khiển thông qua một số môi trường truyền dẫn tín hiệu.
2.5.1. Các thành phần trong hệ thống truyền thông dữ liệu
1. Bản tin (message): là thông tin được truyền đi, có thể là giá trị đo lường, vị trí các chuyển mạch, âm thanh, hình ảnh, …
2. Nơi gửi (sender): là nơi bản tin được gửi đi: các RTU/IED, máy tính trong TBA, điện thoại, …
3. Nơi nhận (receiver): là nơi bản tin được gửi tới: thiết bị giao diện mạng của trạm chủ, trạm biến áp, …
4. Môi trường (medium): đường dẫn (vật lý) của các bản tin: dây xoắn đôi, cáp đồng trục, cáp quang, …
5. Giao thức (protocol): là tập hợp các quy ước và quy tắc giúp kiểm soát truyền
thông, sự bắt tay giữa các thiết bị truyền thông. Hai thiết bị chỉ có thể giao tiếp được với nhau nếu chúng có cùng một giao thức truyền thông. Một giao thức định nghĩa nội dung truyền thông, truyền như thế nào, vào thời điểm nào.
2.5.2. Truyền dẫn các tín hiệu số
Dữ liệu từ một trạm được truyền tải thông qua một số môi trường truyền dẫn vật lý. Do vậy, trước tiên dữ liệu được chuyển thành các tín hiệu số để truyền dẫn. Quá trình