Giao thức đồng bộ pha (Synchrophasor) về cơ bản được dùng cho việc đo lường đồng bộ góc pha và tần số trong các hệ thống điện. Nó cũng cung cấp các phương pháp xác minh các giá trị đo được và nhãn thời gian một các dễ dàng.
Được giới thiệu lần đầu vào năm 1995 với tên IEEE 1344, với một vài thiếu sót; do đó một phiên bản cải tiến được giới thiệu vào năm 2006 là C37.118 2005. Giao thức này dùng để đo lường các đại lượng xác lập, phiên bản mới nhất là C37.118 2011 giới thiệu vào năm 2011 gồm hai phần: C37.118.1-2011: tiêu chuẩn IEEE cho các phép đo đồng bộ góc pha cho các hệ thống điện và C37.118.2TM-2011: tiêu chuẩn IEEE về truyền dữ liệu góc pha đồng bộ trong hệ thống điện. Giao thức C37.118.1-2011 về cơ bản được giới thiệu cho phép đo đồng bộ góc pha và tần số trong hệ thống điện ở các trạm biến áp khác nhau. Nó cũng đưa ra các phương pháp xác minh giá trị đo được. C37.118.2-2011 định nghĩa cơ chế trao đổi dữ liệu giữa đơn vị đo lường pha PMU
(Phasor measurement unit) và bộ tập trung dữ liệu pha, định dạng bản tin cho ứng dụng thời gian thực.
a) Thẻ thời gian đo lƣờng
Việc gắn thẻ thời gian sử dụng thời gian đo lường theo giờ UTC (Coordianted Universal Time), trước đó là giờ GMT cho đến năm 1972. Thẻ thời gian bao gồm ba
số: phần trăm giây SOC (Second-of-Century), số giây FRACSEC (Fraction-of-
Second), và cờ chất lượng thời gian bản tin. SOC đếm từ 0 giờ 0 phút 0 giây ngày 01/01/1970 cho tới giây hiện tại. Để giữ cho hệ thống đồng bộ với UTC, các giây nhuận có thể bị xóa hoặc thêm vào cho phù hợp.
b) Các tốc độ báo cáo
PMU hỗ trợ các tốc đô báo cáo số liệu là các ước số của tần số lưới (10 khung/giây, 25 khung/giây, hoặc 50 khung/giây ở tần số 50 Hz và 10, 12, 15, 20, 30 hoặc 60
khung/giây ở tần số 60 Hz). Những tốc độ này được chọn bởi người sử dụng. Môi trường truyền dẫn có thể khác nhau, thường là cáp quang.
c) Cấu trúc bản tin
Khung đầu tiên được truyền là 2 byte khởi đầu khung SYNC, cần thiết cho mục đích đồng bộ hóa. Khung thứ hai là FRAMESIZE (2 byte) theo sau bởi IDCODE (2 byte) cung cấp thông tin về dữ liệu nguồn, SOC (4 byte), FRACSEC (4 byte), và cuối cùng là CHK. CHK được dùng để xác minh bản tin (không có lỗi và không bị hỏng). Cấu trúc bản tin được cho trong hình 2.19. Khung dữ liệu có các giá trị pha, tần số,
ROCOF (Rate of change of frequency - tốc thay đổi tần số), các giá trị tương tự (điện
áp, dòng điện), các giá trị số (trạng thái các điểm). Mã kiểm lỗi CRC (2 byte) tạo thành khung cuối cùng của bản tin.
Tóm lại, như đã trình bày, hiện nay có nhiều giao thức truyền thông được sử dụng, về
mặt pháp lý/trên thực tế, ở tất cả các cấp trong tự động hóa hệ thống điện. Hình 2.20 minh họa các giao thức phổ biến và phạm vi áp dụng của chúng.
Hình 2-20: Các giao thức truyền thông SCADA trong hệ thống điện. 2.8. Môi trƣờng truyền thông SCADA và smart grid
Sau khi xác định được các yêu cầu truyền thông trong tự động hóa các khâu cấu thành hệ thống điện (phát điện, truyền tải, phân phối, hộ tiêu thụ), phải lựa chọn môi trường truyền dẫn thông tin cho các mức tự động hóa. Sự phát triển của kỹ thuật truyền thông đã hỗ trợ rất nhiều cho SCADA, với nhiều công nghệ mới, nhiều tùy chọn, tốc độ truyền dữ liệu được phát triển qua nhiều năm. Sự phát triển của Internet và phần cứng cũng giúp truyền thông dữ liệu với tốc độ nhanh, độ chính xác cao với chi phí rẻ hơn.
Người thiết kế hệ thống có thể chọn lựa nhiều môi trường truyền dẫn khác nhau, tùy thuộc tốc độ và các yêu cầu truyền dữ liệu. Sau đây là mô tả sơ lược về một số môi trường truyền dẫn thường sử dụng trong hệ SCADA điện lực.
2.8.1. Cáp xoắn đôi
Cáp viễn thông xoắn đôi (Twisted-pair) đã được sử dụng trong nhiều năm. Cáp xoắn đôi chứa một số cặp dây dẫn bằng kim loại (đồng) được bọc cách điện, truyền tín hiệu dưới dạng dòng điện. Trong cặp dây dẫn, một dây được dùng để gửi tín hiệu đến bộ nhận, dây còn lại nối trung tính. Ở phía thu sử dụng chênh lệch giữa hai tín hiệu.
Cấu tạo của cáp xoắn đôi làm cho cả 2 dây dẫn đều bị ảnh hưởng tương đương bởi các nhiễu loạn. Nếu một dây gần với nguồn nhiễu hơn, trong lần xoắn tiếp theo dây kia sẽ gần nguồn nhiễu hơn; do vậy cả 2 dây đều bị ảnh hưởng như nhau. Ở bên thu, các tín hiệu nhiễu được loại bỏ hầu hết do bộ thu tính toán dựa trên sai lệch giữa hai tín hiệu. Trong trường hợp dân dẫn song song, ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu là khác nhau ở 2 dây do khoảng cách từ hai dây dẫn tới nguồn nhiễu là là khác nhau (một dây gần hơn và một dây xa hơn).
Có hai loại cáp xoắn đôi: Loại không được bảo vệ UTP (Unshieled twisted pair) và
loại được bảo vệ STP (Shielded twisted pair). Trong cáp STP, một lá hoặc lưới bện kim loại bao bọc cặp dây dẫn, nó ngăn cản ảnh hưởng của nhiễu, làm cho nó cồng kềnh và đắt hơn cáp UTP.
Cáp xoắn đôi được dùng trong các đường dây điện thoại, cung cấp các kênh thoại và dữ liệu. Thường là cáp xoắn đôi không được bảo vệ UTP. Các mạng LAN cũng sử dụng cáp xoắn đôi.
Cáp xoắn đôi rẻ tiền cho khoảng cách ngắn, có dung lượng kênh lên đến 1,54 MHz. Tuy nhiên nó có một số nhược điểm như bị rạn và nước xâm nhập, khó xác định vị trí sự cố, sét đánh.
2.8.2. Cáp đồng trục
Loại cáp này cũng truyền tín hiệu dưới dạng dòng điện. Chúng có thể truyền tín hiệu tần số cao (cỡ MHz) với hai dây dẫn cấu tạo khác nhau. Lõi của cáp là một dây dẫn bằng kim loại (đồng), được bao bọc trong một lớp cách điện, và bao quanh bên ngoài là lớp bọc kim loại. Bên cạnh chức năng dẫn điện, lớp bọc bên ngoài này hoạt động như một tấm chắn chống nhiễu. Toàn bộ cáp được bọc trong một vỏ bọc nhựa cách điện. Cáp đồng trục có băng thông cao hơn nhiều so với cáp xoắn đôi, nhưng độ suy hao cũng cao hơn. Do vậy mà người ta thường phải sử dụng thêm các bộ lặp.
Cáp đồng trục từng được sử dụng trong các mạng điện thoại tương tự và sau đó là mạng điện thoại số, nhưng phần lớn cáp đồng trục trong mạng điện thoại đã được thay thế bằng cáp quang. Mạng truyền hình truyền thống cũng sử dụng cáp đồng trục. Ngày nay, trong mạng lai cáp đồng trục được sử dụng trong nhà của khách hàng. Nó cũng được dùng trong mạng các LAN-Ethernet truyền thống.
Cáp đồng trục có thể lắp đặt ngầm, treo trên cao, hoặc dựa vào đường dây điện lực sẵn có. Cáp đồng trục có yêu cầu băng thông giới hạn, dải tần bão hòa, chi phí thấp hơn, kháng nhiều RF tốt nên thích hợp cho khoảng cách ngắn. Loại cáp này thường hỗ
2.8.3. Cáp sợi quang
Một sợi cáp quang được làm bằng thủy tinh/ nhựa, truyền dẫn tín hiệu dưới dạng ánh sáng. Loại này có băng thông cao và khả năng kháng nhiễu điện từ tốt. Đặc tính vật lý của cáp phụ thuộc vào chế độ lan truyền của ánh sáng. Công nghệ hiện tại hỗ trợ
chế độ đơn mode (single mode) và chế độ đa mode(multimode). Nhu cầu với sợi đơn
mode ngày càng tăng vì nó cho khoảng cách truyền dài hơn, đặc tính băng thông tốt hơn, với tốc độ tín hiệu cao hơn do đường kính nhỏ hơn.
Về cấu trúc vật lý, cáp có một lõi ở giữa và các lớp phủ bên ngoài giúp hỗ trợ bảo vệ cáp chống lại các tác động vật lý. Công nghệ truyền dẫn này đã phát triển rất mạnh, hiện nay các sợi cáp thương mại có tổn hao nhỏ hơn 0,3 db/km. Người thiết kế có thể dùng công nghệ sợi quang cho các hệ thống có khoảng cách truyền lớn hơn 140 km mà không cần dùng bộ lặp nào, cũng như sự sẵn có của các đầu phát laser và đầu thu quang. Cáp quang hỗ trợ các dịch vụ truyền thông như voice, bảo vệ relay, đo lường xa, EMS/SCADA, hội nghị truyền hình, dữ liệu tốc độ cao, và các đường điện thoại chuyển mạch.
Có ba loại cáp có thể dùng trong các ứng dụng SCADA. Một là cáp OPGW
(Optical power ground wire) có lõi sợi quang đặt trong vỏ bảo vệ, được treo trên
đường truyền dây truyền tải. Cáp tự treo ADSS (All- dielectric self- supporting) toàn
bộ được làm từ vật liệu phi kim, thiết kế để buộc vào các cột truyền tải cao áp. Loại
cáp thứ ba là WOC (Wrapped optical cable), thường được quấn quanh dây pha hoặc
dây nối đất sắn có của đường dây truyền tải hoặc phân phối. Cáp quang trên không có thể được gắn vào các cột phân phối nằm dưới đường dây điện.
Cáp quang có băng thông rộng mang lại lợi ích lớn; nó thường được dùng trong các mạng xương sống (backbone). Đối với mạng kết hợp giữa cáp đồng trục và cáp sợi quang, sợi quang tạo thành cấu trúc backbone, trong khi cáp đồng trục kết nối đến các vị trí của khách hàng. Nhiều mạng LAN Ethernet nhanh cũng sử dụng cáp quang.
Sử dụng cáp sợi quang có nhiều ưu điểm: nó có chi phí vận hành thấp, dung lượng kênh truyền cao, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ và quá điện áp, trọng lượng nhẹ hơn so với cáp đồng. Nhược điểm của cáp quang ở chỗ nó là công nghệ mới, yêu cầu nhiều kỹ năng mới, thiết bị thử nghiệm đắt tiền.
2.8.4. Truyền thông trên đƣờng dây điện lực PLCC
Truyền thông trên đường dây điện lực PLCC (Power line carrier communication)
sử dụng một đường dây điện lực (50Hz) để truyền các tín hiệu dữ liệu ở một tần số khác. Đây là phương tiện kinh tế để truyền dữ liệu trên đường dây điện hiện có mà không cần đến các đường dây bổ sung. Có nhiều kỹ thuật PLCC khác nhau cho các ứng dụng như: PLC (Power line carrier), DLC (Distribution line carrier) và BPL
a) PLC
PLC sử dụng các đường dây điện lực làm môi trường truyền dẫn. PLC truyền dẫn các tín hiệu trong khoảng tần số từ 30 đến 500 kHz. Thành phần chính của liên kết PLC là các thiết bị đầu cuối thu phát, cáp đồng trục, các thiết bị cân bằng trở kháng, các tụ ghép nối để cách ly và loại bỏ tín hiệu tần số cao khỏi đường phân phối. Các bẫy cũng được đặt trên đường điện để chặn các tín hiệu đi vào trạm biến áp theo con đường không mong muốn. Thiết bị PLC đặt trong trạm biến áp nên tính bảo mật rất cao. Phương pháp này hỗ trợ các dịch vụ như thoại, đo lường xa, SCADA trên các mạng truyền tải điện 220 kV, 110 kV hoặc 66 kV với tốc độ baud lên đến 9600. Có hai loại PLC: tương tự và số. PLC kỹ thuật số yêu cầu bảo trì nhiều hơn so với kiểu analog, ít được dùng cho các đường dây điện lực có nhiễu cao. Tuy nhiên, PLC kỹ thuật số có thể được tăng lên tới ba kênh trong cùng một băng thông RF. Nhược điểm chính là nó không thể độc lập với đường dây điện lực, có số kênh ít hơn và nó giá thành cao trên mỗi kênh truyền.
b) DLC
DLC được sử dụng đường dây phân phối với điện áp 11 kV / 22 kV / 33 kV để truyền tải tín hiệu mang trong dải tần từ 5 đến 150 kHz. Tuy nhiên, DLC không thành công trong các đường dây phân phối vì nó đòi hỏi nhiều bẫy, các máy biến áp, mức nhiễu cao trong hệ thống phân phối hạ áp, trở kháng cao của đường dây phân phối làm tần số sóng mang cũng bị giới hạn.
c) BPL
BPL hoạt động dựa trên việc ghép năng lượng RF vào đường dây điện trong nhà. Công nghệ BPL kết hợp các nguyên lý của radio, mạng không dây, và modem, người dùng có thể cắm máy tính sử dụng modem BPL vào bất kỳ vị trí nào trong nhà để có thể truy cập Internet mà không cần bổ sung các đường cáp riêng.
BPL dựa trên công nghệ truyền thông PLC, để có băng thông cao BPL hoạt động ở tần số cao hơn PLC truyền thống, thường trong khoảng từ 2 đến 80 MHz. Nhiều thiết
bị sử dụng kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) để mở rộng
kết nối Ethernet tới các phòng khác trong nhà qua hệ thống dây điện. Phương pháp điều chế thích nghi sử dụng trong OFDM giúp nó kháng lại nhiễu hiệu quả. BPL cũng có coi như một công nghệ trong tự động hóa tòa nhà và để truy cập dữ liệu các đồng hồ đo thông minh.
2.8.5. Truyền thông trên nền điện thoại
Nhiều hệ thống truyền thông trên nền điện thoại (Telephone-base system) được sử
dụng cho mục đích truyền thông hệ thống điện như: SCADA, đo lường xa, … Sau đây là một hệ thống dạng này.
dụng. Ưu điểm chính của mạch thuê bao là không cần có chuyên gia truyền thông, và có thể thích ứng với các thay đổi lưu lượng truy cập.
b) ISDN
ISDN (Integrated services digital network) được thiết kế để kết hợp dịch vụ thoại số và các dịch vụ truyền dẫn dữ liệu. Nó là một mạng WAN chuyển mạch. ISDN được các doanh nghiệp sử dụng để kết nối các địa điểm phân tán về địa lý. Có hai loại dịch vụ: ISDN cơ bản (192 kbps) và ISDN primary (1,544 Mbps). ISDN băng thông rộng (B-ISDN) là thế hệ tiếp theo cho phép với tốc độ dữ liệu lên tới 155,520 Mbps hoặc 622,080 Mbps.
c) DSL
DSL (Digital subscriber loop) được dùng để truyền dữ liệu qua đường dây thuê bao tương tự tiêu chuẩn. DSL dựa trên công nghệ tương tự như ISDN, nhưng nó là một hệ thống tiết kiệm, được dùng để truyền tin băng thông cao cho các văn phòng và nhà ở. Có một số loại DSL như: ADSL, SDSL, HDSL, VDSL.
ADSL (Asymmetric DSL): Phương pháp này truyền dữ liệu và thoại giữa khách hàng và công ty điện thoại qua cáp đồng truyền thống. Nó hỗ trợ tốc độ dữ liệu từ 1,5 đến 8 Mbps chiều xuống và 16-640 kbps chiều lên. Các bộ lọc được sử dụng để tách riêng các tín hiệu số và tương tự. ADSL có chiều dài hoạt động lên đến 6000 m.
SDSL (Symmetric/ Single-Line DSL): Kỹ thuật này có thể mang T1 trên một cặp đơn (T1 là mạng số tốc độ cao 1,544 Mbps phát triển bởi AT&T để truyền tín hiệu xung PCM).
HDSL (High-speed DSL): sử dụng cho kết nối T1 kiểu điểm-điểm. Nó có thể mang T1 và FT1 theo cả hai hướng.
VDSL (Very High-Speed DSL): có tốc độ thực hiện nhanh nhất cho đến nay, lên đến 52 Mbps chiều xuống nhưng có thể đạt tốc độ tối đa chỉ 300 m.
Ưu điểm chính của DSL là tính khả dụng và giá cả cạnh tranh. Nhược điểm là chiều dài hạn chế, bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
2.9. Truyền thông không dây 2.9.1. Thông tin vệ tinh 2.9.1. Thông tin vệ tinh
Hệ thống vệ tinh cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao. Các vệ tinh được định vị trên các quỹ đạo địa tĩnh phía trên đường xích đạo Trái đất, do đó có phạm vi phủ sóng liên tục trên một khu vực cụ thể của Trái đất. Những hệ thống này chứa một số transponder, thu nhận và truyền tín hiệu trở lại các trạm mặt đất nằm trong vùng phủ sóng của vệ tinh trên bề mặt trái đất. Một trạm mặt đất theo dõi, điều khiển các vệ tinh và một ăngten ở trạm mặt đất nhận tín hiệu từ các vệ tinh.
Công nghệ đầu cuối khẩu độ rất nhỏ VSAT (Very small aperture terminal) phát triển nhanh chóng, giúp thu nhỏ kích thước ăngten vệ tinh xuống cỡ 1 m. Chìa khóa
thành công của thông tin vệ tinh là lựa chọn quỹ đạo thích hợp. Đó là các quỹ đạo địa
tĩnh GEO (Geosynchronous Earth orbit), quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth
orbit) và quỹ đạo thấp LEO (Low Earth orbit). Hệ thống GEO được sử dụng nhiều nhất.
Hệ thống GEO yêu cầu anten kích thước ăng-ten lớn do vệ tinh nằm ở rất xa. Các vệ tinh này không cần ăng-ten bám tốn kém vì chúng đứng yên trên bầu trời. Một vệ tinh truyền thông GEO hoạt động trên quỹ đạo cách bề mặt trái đất 35.900 km. Vệ tinh MEO hoạt động trên quỹ đạo từ 10.000 – 20.000 km. Vệ tinh LEO hoạt động ở độ cao thấp hơn nhiều từ 500 – 2000 km.