CHƢƠNG 2 : HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SCADA ĐIỆN LỰC
2.8. Môi trường truyền thông SCADA và smart grid
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.
Ưu điểm chính của hệ thống vệ tinh là chúng bao phủ một diện tích rộng, dễ dàng truy cập từ các vùng địa lý xa xôi, tỷ lệ lỗi truyền thấp. Nhược điểm của vệ tinh là độ trễ truyền thông lớn, giá thuê kênh đắt.
2.9.2. Radio (VHF, UHF)
Sóng vô tuyến nói chung là đa hướng, được phát bởi antenna và truyền đi theo mọi hướng, tránh được việc phải căn chỉnh cho các antenna gửi và nhận. Sóng phát ra có thể thu được bởi bởi bất kỳ antenna nhận nào. Sóng vô tuyến là môi trường truyền dẫn tốt cho truyền tin quảng bá ở khoảng cách lớn. Có nhiều loại antenna khác nhau dựa tùy thuộc vào bước sóng, cường độ, mục đích truyền tải, có thể nhiều bộ thu/ bộ phát do tính đa hướng của sóng radio.
Dải VHF (Very high frequency) có tần số từ 30 – 300 MHz, chủ yếu được sử dụng
cho các dịch vụ di động. Kỹ thuật truyền thông này có thể dùng cho các hệ thống bảo trì lưu động trong tự động hóa hệ thống điện, cũng như SCADA/DMS, với một tần số được cấp phát riêng.
Ưu điểm chính của VHF là một tần số có thể được dảnh riêng cho một dịch vụ, chi phí thấp hơn so với viba, không phụ thuộc vào đường dây truyền tải chung và đường dây điện. Nhược điểm là tốc độ truyền dữ liệu thấp, kỹ thuật truyền tải hạn chế và dung lượng kênh truyền thấp.
Thông tin vô tuyến UHF (Ultra-high frequency) có dải tần từ 300 – 3000 MHz. Nói
chung, phạm vi băng tần từ 400 đến 900 MHz được dành cho phát thanh UHF. Các biến thể của hệt thống UHF là điểm-điểm PTP (point-to-point), điểm-đa điểm PTM
(point-to-multipoint), hệ thống radio đa địa chỉ MARS (multiple address radio system), …
2.9.3. Viba
Sóng viba có dải tần từ 1 – 300 GHz, hỗ trợ cả kỹ thuật truyền dẫn analog và digital. Môi trường này có tính đẳng hướng, sóng phát ra từ antenna theo một hướng duy nhất. Vì thế các antenna phát và thu phải được căn chỉnh để sóng viba có thể được tập trung trong phạm vi hẹp.
Ưu điểm chính của viba là đặc tính đẳng hướng của nó, có thể căn chỉnh một cặp antenna để không giao thoa với cặp antenna khác, dải tần số rộng giúp nâng cao tốc độ truyền dữ liệu.
Viba có một số nhược điểm: cần sự cho phép của cơ quan chức năng ở một dải tần nào đó; đường truyền phải không bị cản trở; các cột gắn antenna phải hướng trực tiếp vào nhau; cần các bộ lặp khi truyền tin khoảng cách lớn.
Ứng dụng chính của viba là trong các dịch vụ điện thoại di động, mạng vệ tinh và mạng LAN không dây. Về cơ bản, chúng được sử dụng khi yêu cầu truyền thông unicast (một-một). Việc sử dụng viba số rất tốn kém cho việc lắp đặt ở các trạm biến áp riêng lẻ nhưng có thể xem dây là môi trường truyền dẫn hiệu suất cao để thiết lập backbone của hạ tầng truyền thông.
2.10. Kết luận chƣơng
Chương này đã trình bày các vấn đề về truyền thông trong SCADA, trong đó đã đưa ra các yêu cầu truyền thông trong hệ thống điện, các cấu trúc truyền thông cơ bản và các cấu trúc lai ghép; trong chương này tác giả cũng trình bày việc truyền thông dữ liệu trong lưới điện, kiến trúc giao thức sử dụng trong SCADA; đưa ra các môi trường truyền thông có thể sử dụng được cùng với lưới điện. Qua đó, sẽ lựa chọn được cách thức hay các kỹ thuật ứng dụng trong từng trường hợp cụ thể. Để nắm bắt được cụ thể hơn chương sau tác giả đi vào thiết kế mô hình truyền thông cho trạm điện phân phối.
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG CHO TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI
3.1. Mô hình trạm biến áp phân phối
Cấu hình của một trạm biến áp hoàn chỉnh rất phức tạp, với thành phần chính là các máy biến áp điện lực cùng tổ hợp nhiều thiết bị đo lường – điều khiển, đóng cắt và bảo vệ. Xét sơ đồ nguyên lý chung của một trạm phân phối hạ áp như sau:
Hình 3-1: Sơ đồ một sợi trạm phân phối hạ áp.
Ở phía cao áp, điện được lấy từ lưới 22 kV qua cầu chì SI đi vào máy biến áp. Nếu có sự cố thì cầu chì SI sẽ tác động, bảo vệ máy biến áp và phụ tải phía sau. Ở phía hạ áp, dòng điện từ máy biến áp đi quá atomat tổng AT, và đi tới các AT1, AT2, AT3 để đóng cắt cho các phụ tải. Điện áp và dòng điện (BI, BU) phía thứ cấp được đo bởi các đồng hồ Vol kế V và Ampe kế A. Ngoài ra, công suất, năng lượng tiêu thụ của phụ tải cũng được đo bởi công tơ đặt tại trạm. Các chống sét van CSV cũng được trang bị nhằm bảo vệ trạm khỏi quá điện áp do sét đánh.
Hiện nay, việc điều khiển & giám sát các thông số của trạm biến áp phân phối được thực hiện bởi hệ thống SCADA. Ta có sơ đồ nguyên lý chung như sau:
Hình 3-2: Sơ đồ hệ thống SCADA cho trạm biến áp.
Tuy nhiên, để xây dựng một mô hình TBA với đầy đủ cấu hình đòi hỏi kinh phí lớn, nằm ngoài khả năng của luận văn. Cấu hình giản lược của trạm điện phân phối hạ áp được đề xuất, sử dụng số lượng tối thiểu thiết bị nhưng vẫn thể hiện được các chức năng điều khiển cơ bản nhất của trạm.
Mô hình máy cắt MC: sử dụng khởi động từ làm mô hình thay thế cho máy
cắt trong trạm biến áp.
Thiết bị đo lƣờng – điều khiển, hiển thị tại chỗ: có chức năng thu thập tín
hiệu dòng áp trên lưới, phát lệnh điều khiển máy cắt, hiển thị trạng thái thiết bị.
Máy tính điều khiển: cài đặt phần mềm SCADA, giúp theo dõi và vận hành
trạm từ xa.
Hệ thống truyền thông: kênh giao tiếp, trao đổi thông tin giữa các thiết bị
trường, giữa thiết bị trường với máy tính điều khiển trung tâm.
Mô hình có hai chế độ vận hành, được chọn thông qua chuyển mạch Mode Select trên mặt tủ: Local (tại chỗ) và Remote (từ xa).
Local Mode:
Chuyển mạch Mode gạt sang chế độ Local, hoạt động của tủ được điều khiển và
giám sát tại chỗ. Người vận hành có thể thực hiện thao tác đóng/mở máy cắt trực tiếp tại tủ điều khiển. Các tín hiệu trạng thái của trạm như: dòng điện, điện áp, công suất, năng lượng trong các pha … cũng được đo và hiển thị lên màn hình ở mặt tủ, giúp cho
người vận hành có thể giám sát, đánh giá được hoạt động của trạm. Các tín hiệu này cũng được gửi về máy tính điều khiển thông qua hệ thống truyền thông.
Remote Mode:
Chuyển mạch Mode gạt sang chế độ Remote, tủ được vận hành từ xa. Giao diện
người máy HMI thiết kế trên màn hình máy tính PC giúp cho người dùng có thể giám sát các thông số của tủ và thực hiện lệnh điều khiển từ xa.
A N C B ATM MC Phụ tải Điều khiển, hiển thị tại chỗ Truyền thông Điều khiển Đo lƣờng Điều khiển giám sát