Truyền thông không dây

CHƢƠNG 2 : HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SCADA ĐIỆN LỰC

2.9. Truyền thông không dây

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 SCADA

Hình 3-3: Mô hình giản lược trạm phân phối hạ áp. 3.2. Yêu cầu thiết kế với hệ thống truyền thông SCADA

Từ nội dung chương 2, và từ mô hình trạm phân phối như trong Hình 3.3, có thể thấy vai trò hết sức quan trọng của cấu trúc truyền thông SCADA điện lực trong việc đảm bảo thông tin liên lạc giữa các thiết bị trường và liên lạc với máy tính điều khiển. Sau đây là các yêu cầu thiết kế đặt ra đối với hệ thống truyền thông của mô hình trạm phân phối hạ áp:

 Cung cấp kênh truyền thông có độ tin cậy cao giữa các thiết bị đo lường, điều khiển tại trạm, và với các thiết bị điều khiển giám sát ở cấp trên.

 Cung cấp kênh thông tin phục vụ quản lý, giám sát tiêu thụ điện năng của đơn vị: truy nhập công tơ điện tử, đọc số liệu từ xa qua mạng Internet.

 Thoả mãn các yêu cầu về tốc độ truyền số liệu. Đảm bảo khả năng truyền tin

theo thời gian thực.

 Giao thức truyền tin thông dụng, sử dụng các chuẩn trong công nghiệp, có tính tương thích cao.

 Khả năng thực hiện đơn giản, dễ thay thế, bảo trì bảo dưỡng. Sử dụng các thiết bị truyền tin thông dụng, có sẵn trên thị trường.

 Cấu trúc truyền tin được xây dựng phải có tính mở, dễ dàng lắp đặt, bổ sung

thêm các thiết bị khi cần.

Ngoài ra hệ thống truyền thông được xây dựng còn phải đảm bảo tính khả thi, giá thành & chi phí hợp lý, không quá cao.

Chi phí ban đầu:

 Chi phí thiết kế hệ thống.

 Chi phí phần cứng.

 Chi phí phần mềm công cụ.

 Chi phí phát triển phần mềm ứng dụng.

 Chi phí triển khai, đưa vào vận hành.

 Chi phí đào tạo, chuyển giao công nghệ.

Chi phí vận hành:

 Chi phí bảo trì, bảo dưỡng thiết bị và phần mềm.

 Chi phí thiết bị thay thế.

 Chi phí dịch vụ hỗ trợ kỹ thuật.

 Chi phí dừng sự cố khi hệ thống xảy ra sự cố.

3.3. Mô hình hệ thống truyền thông SCADA 3.3.1. Cấu trúc truyền thông 3.3.1. Cấu trúc truyền thông

Từ các yêu cầu nhiệm vụ đặt ra, ta có sơ đồ hệ thống truyền thông cho mô hình trạm điện phân phối như hình 3.4

Mô hình hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu cho trạm điện hạ áp gồm 3 mức: mức quá trình, gồm các phần tử của hệ thống điện, thiết bị đóng cắt, đo lường (BI, BU); mức ngăn: gồm thiết bị điều khiển (PLC S7 – 1200), đồng hồ đo (MFM – 384), giao diện HMI điều khiển tại chỗ, các thiết bị khác (đồng hồ chỉ thị, đèn báo, …); và mức trạm: máy tính điều khiển trạm. Trong đó, hệ thống truyền thông nằm ở mức ngăn và mức trạm.

Ở mức ngăn, sử dụng giao thức Modbus trên nền RS485 để thông tin liên lạc giữa các thiết bị trường với nhau: PLC, HMI, Meter, … Sử dụng phương pháp truy nhập bus kiểu chủ - tớ với bộ điều khiển PLC S7 – 1200 đóng vai trò là trạm chủ.

Ở mức trạm, dữ liệu được trao đổi giữa máy tính điều khiển trung tâm chạy phần mềm SCADA với PLC S7 – 1200 thông qua mạng LAN Ethernet. Việc đọc thông tin từ đồng hồ đo MFM – 384 diễn ra gián tiếp thông qua PLC.

Modbus (RS485) TI TU MFM 384 Hệ thống điện S7 - 1200 HMI Thiết bị khác (Meters, …) LAN Computer Ethernet Ethernet

Hình 3-4: Mô hình truyền thông SCADA cho trạm điện phân phối.

Ngoài ra, dữ liệu từ máy tính điều khiển cũng có thể được đẩy lên mạng Internet phục vụ cho việc đọc dữ liệu và điều khiển trạm từ xa.

3.3.2. Đồng hồ đa năng Selec MFM – 384

Là thiết bị tích hợp có thể đo và truyền tín hiệu, cung cấp cho người sử dụng nhiều đại lượng cùng lúc. Máy có bộ nhớ để lưu trữ dữ liệu ghi được theo 1 chu kì cho trước, dữ liệu có thể tải về máy tính hoặc thiết bị số khác.

Tích hợp hợp nhiều tính năng đo trên một module:

 Đo điện áp 3 pha.

 Đo dòng điện 3 pha.

 Đo công suất tác dụng 3 pha.

 Đo công suất phản kháng 3 pha.

 Đo tần số.

Hình 3-5: Đồng hồ Selec MFM384

 Các thông số kỹ thuật của đồng hồ MFM – 384

 Kích thước 96x96mm.

 Hiển thị LCD: 3 hàng x 3 số; 3 biểu đồ cột dòng điện; 8 số điện năng kWh.

 Sử dụng cho mạng 3 pha 4 dây hoặc 1 pha 2 dây

 Biến dòng chọn được từ 5 đến 5000/5A

 Tiêu hao năng lượng ngõ vào : Max 0,5VA/ phase

 Cấp chính xác: cấp 1

 Nguồn nuôi : 90 – 270VAC

 Khả năng nhớ: 10 năm cho chỉ số điện năng

 Khả năng truyền thông qua Modbus (MFM 384-C).

 Truyền thông nối tiếp Modbus:

Đồng hồ đa năng MFM 384 có khả năng truyền thông với các thiết bị các thông qua giao thức Modbus/RS 485, đóng vai trò trạm tớ. Sơ đầu đấu nối truyền thông như sau:

Hình 3-6: Truyền thông Modbus của MFM 384.

 Địa chỉ truyền thông: 1 – 255.

 Chế độ truyền: bán song công.

 Kiểu dữ liệu: Số thực và số nguyên.

 Khoảng cách truyền: tối đa 500m.

 Tốc độ truyền: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 (bps).

 Parity: None, Odd hoặc Even.

 Số bít Stop: 1 hoặc 2.

 Thời gian đáp ứng: 100 ms (Không phụ thuộc tốc độ baud).

Các tham số truyền thông Modbus:

 Nhóm tham số chỉ đọc: Địa chỉ Địa chỉ hexa Tham số Chiều dài (Register) Kiểu 30000 0x00 Điện áp V1N 2 Float 30002 0x02 Điện áp V2N 2 Float 30004 0x04 Điện áp V3N 2 Float

30006 0x06 Điện áp trung bình LN 2 Float

30008 0x08 Điện áp V12 2 Float

30010 0x0A Điện áp V23 2 Float

30012 0x0C Điện áp V31 2 Float

30014 0x0E Điện áp trung bình LL 2 Float

30016 0x10 Dòng điện I1 2 Float

30018 0x12 Dòng điện I2 2 Float

30020 0x14 Dòng điện I3 2 Float

30022 0x16 Dòng điện trung bình 2 Float

30024 0x18 kW1 2 Float

30026 0x1A kW2 2 Float

30028 0x1C kW3 2 Float

30030 0x1E kVA1 2 Float

30032 0x20 kVA2 2 Float 30034 0x22 kVA3 2 Float 30036 0x24 kVAr1 2 Float 30038 0x26 kVAr2 2 Float 30040 0x28 kVAr3 2 Float 30042 0x2A Tổng kW 2 Float 30044 0x2C Tổng kVA 2 Float

30046 0x2E Tổng kVAr 2 Float

30048 0x30 PF1 2 Float

30050 0x32 PF2 2 Float

30052 0x34 PF3 2 Float

30060 0xC kVAh 2 Float

30062 0x3E kVArh 2 Float

30064 0x40 Công suất tác dụng Max 2 Float 30066 0x42 Công suất tác dụng Min 2 Float 30068 0x44 Công suất phản kháng Max 2 Float 30070 0x46 Công suất phản kháng Min 2 Float 30072 0x48 Công suất biểu kiến Max 2 Float

 Nhóm tham số đọc/ghi:

Địa chỉ Địa chỉ

hexa Tham số Dải

Chiều dài (Register) Kiểu Min Max 40000 0x00 Password 0 9998 1 Interger Giá trị Ý nghĩa 40001 0x01 Chọn N/W 0 3P-4W 1 Interger 1 3P-3W 1 Interger Min Max 40002 0x02 Sơ cấp BI 1 5 1 Interger 40003 0x03 Thứ cấp BI (Sơ cấp = 5) 5 10000 1 Interger Thứ cấp BI (Sơ cấp = 1) 1 10000 40004 0x04 Thứ cấp BU 100 500 1 Interger 40005 0x05 Sơ cấp BU 100 500kV 2 Interger

Min Max 1 Interger

40007 0x07 Địa chỉ Slave 1 255

Giá trị Ý nghĩa 1 Interger 40008 0x08 Tốc độ Baud 0x0000 300 0x0001 600 0x0002 1200 0x0003 2400 0x0004 4800 0x0005 9600 0x0006 19200

Giá trị Ý nghía 1 Interger 40009 0x09 Parity 0x0000 None

0x0001 Odd 0x0002 Even

Giá trị Ý nghĩa 1 Interger 40010 0x0A Bit Stop 0x0000 1

0x0001 2

40012 0x0C Mặc định nhà sản