Chương 3: GIẢI PHÁP TỰ ĐỘNG HÓA KHÔNG NGƯỜI TRỰC CHO
3.1 CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG KẾT NỐI CHO TRẠM BIẾN ÁP
Giao thức truyền thông và các tiêu chuẩn được giới thiệu vào năm 1970 trong các ngành công nghiệp, nó nhanh chóng được dùng trong ngành công nghiệp điện nhằm hạn chế các đối tác độc quyền. Các mục tiêu chính của giao thức là mở rộng khả năng truy cập, khả năng tương tác linh hoạt, cập nhật nhanh chóng và hiệu quả trong việc chia sẽ dữ liệu giữa các ứng dụng.
Giao thức được định nghĩa là một tập hợp các quy tắc cơ bản phải tuân theo để giao tiếp có trật tự giữa hai bên hoặc nhiều bên giao tiếp. Việc truyền thông tin giữa những hệ thống xử lý dữ liệu từ các nhà cung cấp khác nhau đặc biệt thường gặp khó khăn do thực tế có sự khác nhau về kỹ thuật phát triển trong cách thức truyền dữ liệu và xử lý dữ liệu, thường dẫn đến kết quả là các giao diện trở nên phức tạp.
Giao thức truyền thông cho phép truyền dữ liệu giữa hai hay nhiều thiết bị. Các thiết bị phải có cùng giao thức mới thực hiện được, nếu không sẽ dẫn đến lỗi trong kết nối.
Việc tư động hóa trạm dựa trên cấu trúc tích hợp vì thế yêu cầu các thiết bị từ những nhà cung cấp khác nhau phải giao tiếp được với nhau bằng cách sữ dụng một giao thức thống nhất theo chuẩn công nghiệp
Sau đây là các giao thức truyền thông kết nối cho trạm biến áp tự động hóa không người trực:
3.1.1 Giao thức Modbus
- Modbus là một giao thức mạng phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện nay, nó gồm một hệ thống “chủ - tớ” (Master-Slave), “chủ” được kết nối với một hay nhiều “tớ”. Có 3 phiên bản Modbus là Modbus ASCII, Modbus RTU, Modbus/TCP.
- “Chủ” thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU. “Tớ” Modbus RTU thường là các thiết bị hiện trường, tất cả được kết nối với mạng trong cấu hình multi-drop (hình III.2). Khi một chủ Modbus RTU muốn có thông tin từ thiết bị, chủ sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dò lỗi tới địa chỉ thiết bị. Mọi thiết bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉ định mới có phản ứng.
3.1.2 Giao thức IEC 60870-5-101 ( T101 )
Giao thức IEC 60870-5-101 (T101) được ra đời năm 1995 dùng để truyền thông cơ bản trong hệ thống SCADA. IEC 60870-5-101 (T101) là giao thức truyền thông giữa các thiết bị đầu cuối (RTU) và hệ thống trung tâm (Central Station). Thông tin theo hướng từ thiết bị đầu cuối (RTU) tới Central Station thường là các thông số đo RTU thu thập từ các thiết bị vật lý (như tần số, điện áp, dòng điện, công suất…) và thông tin theo hướng ngược lại thường là các lệnh điều khiển hoạt động thiết bị vật lý).
Bảng 3.1 : Các lớp cấu trúc T101 theo các lớp IEC 60870-5
Layer Source Selections
User Process IEC 60870-5-5 Application Fuctions Application IEC 60870-5-4 Application information elements
IEC 60870-5-3 ASDUs
Link (Liên kết) IEC 60870-5-2 Transmission procedures
IEC 60870-5-1 Frame formats
Physical ITU-T Interface specification
a) Lớp vật lý:
- Liên quan đến việc truyền và nhận dữ liệu trên đường truyền vật lý.
- Sử dụng giao thức RS232, RS485 (đối xứng, bất đối xứng song tuyến) - Tốc độ truyền:
• V24/V28 FSK: 100, 200, 300, 600, 1200 bit/s
• V24/V28 Modem: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 bit/s - Cấu trúc mạng: Point – to – point, Star, Multipoint (line, ring)
b) Lớp liên kết dữ liệu:
Truyền dữ liệu qua kênh truyền và chắc chắn dữ liệu được nhận đầy đủ.
+ Frame formats:
• Độ dài cố định
• Độ dài thay đổi
Đặc điểm:
- Primary và Secondary:
+ P Station: được truyền ngay từ đầu (Master)
+ S Station: bắt buộc phải chờ đến khi PS hỏi (Slave) - Cơ chế truyền thông tin:
+ Send – no reply: message hoặc command + Send – confirm: command hoặc data
+ Request – respond: nhận data từ master station
- Đường truyền đối xứng và bất đối xứng: (Balanced–Unbalanced transmission) + Balanced Tr: sử dụng 1 point – to – point
+ Unbalanced Tr: 1 Master kết nối nhiều Slave.
c) Lớp ứng dụng (Application Layer)
- Application Service Data Units (ASDUs): là cấu trúc dữ liệu trên từng ứng dụng.
- Các ASDU thực chất là 1 frame có chứa số liệu hay lệnh điều khiển.
- Mô hình giao thức:
+ Main line: Đường truyền thông chính sử dụng kết nối qua hạ tầng cáp quang với các thiết bị ghép kênh (PCM) và truyền dẫn (STM1, STM4).
+ Backup line: Sử dụng phương thức truyền thông PSTN qua mạng điện thoại có dây của các nhà cung cấp dịch vụ.
Việc chuyển đổi kênh truyền thông từ “main line” sang “backup line” và chuyển đổi máy chủ xử lý dữ liệu theo cơ chế (Hot/Standby) được thực hiện bằng thiết bị chuyển mạch Fall Back Switch (FBS).
Hình 3.1 Phương thức truyền thông kết nối theo giao thức IEC T101
3.1.3 Giao thức IEC 60870-5-104 ( T104 )
Về cơ bản thì IEC 60870-5-104 (T04) là phần mở rộng của IEC 60870-5-101 (T01) với một số thay đổi trong việc truyền dữ liệu, hệ thống kết nối, liên kết và các dịch vụ ở lớp vật lý (Physical Layer).Tín hiệu truyền thông T104 kết nối từ RTU đến hệ thống SCADA được thực hiện trên kênh FE của các thiết bị truyền dẫn, hoặc qua thiết bị chuyển đổi giao diện E1/FE (main line). Giao thức T104 của RTU có thể hỗ trợ trên 2 địa chỉ máy chủ, do đó phương thức truyền thông dự phòng dễ dàng thực hiện trên các lớp mạng khác nhau. Đường truyền thông dự phòng (backup line) được đề xuất thực hiện qua các kênh Internet (3G 4G LTE/GPRS, ADSL, FTTH), có chi phí thấp.
Điểm mạnh của T104 là tương thích hoàn toàn với T101, vì vậy dễ dàng xây dựng trên nền cơ sở dữ liệu của T101 mà không cần thay đổi chúng. Mặc khác việc kết nối vật lý dựa trên nền giao thức TCP/IP mở có những điểm mạnh là tương thích dễ dàng giữa hệ thống SCADA với các thiết bị của các hãng khác nhau, kết nối hệ thống với mạng LAN (Local Area Network – mạng cục bộ) và các Router, thậm chí trong một số điều kiện có
thể kết nối với WAN (Wide Area Network – mạng diện rộng)
Hình 3.2 Kiến trúc của IEC 104 Cách thức truyền dữ liệu:
+ Ethernet ( Phổ biến hơn cả)
+ Đường nối tiếp ( PPP – Point – to – Point Protocol)
Hình 3.3 Phương thức truyền thông kết nối theo giao thức IEC 60870-5-104 T104
3.1.4 Giao thức IEC 61850
IEC 61850 là tiêu chuẩn truyền thông quốc tế mới cho các ứng dụng tự động hoá trạm. Tiêu chuẩn cho phép tích hợp tất cả các chức năng bảo vệ, điều khiển, đo lường và giám sát truyền thống của TBA, đồng thời nó có khả năng cung cấp các ứng dụng bảo vệ và điều khiển phân tán, chức năng liên động và giám sát phức tạp. Với ưu điểm của chuẩn truyền thông TCP/IP Enternet, giao thức IEC 61850 có hiệu năng làm việc cao, xử lý thông tin đạt tốc độ 100Mbps và đơn giản trong việc thực hiện kết nối trên mạng LAN.
Tiêu chuẩn IEC 61850 bao gồm 14 phần chia thành 10 chủ đề chính nhằm đảm bảo cho tất cả các ứng dụng về tự động hoá trạm hiện tại và tương lai đều có khả năng được hỗ trợ bởi tiêu chuẩn. IEC61850 xây dựng mô hình dữ liệu trên cơ sở các mô hình đối tượng và thiết bị trong hệ thống, qua đó hệ thống được mô tả trên cơ sở tập hợp các quy tắc trao đổi dữ liệu giữa các đối tượng trên một cơ chế truyền thông linh hoạt. Trên nền tảng giao thức truyền thông IEC 61850, các hệ thống tự động hóa trạm sẽ tăng tính linh
hoạt, tăng khả năng tương đồng của các thiết bị, đơn giản hoá việc thiết kế phần cứng, giảm chi phí lắp đặt, hạn chế được lỗi và sự can thiệp bằng tay từ người vận hành.
a. Mô hình hóa IED
Các thiết bị điện tử thông minh IED trong trạm được kết nối với hệ thống điều khiển tích hợp bằng một địa chỉ mạng (địa chỉ IP). Một thiết bị vật lý có thể được xác định bởi một hoặc nhiều thiết bị logic. Nhiều thiết bị logic được dùng để phân chia các chức năng riêng biệt trong một thiết bị vật lý, hoạt động như một máy chủ proxy hoặc như một gateway cho các thiết bị logic khác trong nó. Việc ảo hóa thiết bị được thực hiện theo cách này nhằm làm toàn bộ hệ thống trở nên đơn giản hơn đồng thời việc cấu hình và điều khiển thiết bị cũng dễ dàng thực hiện.
b. Khái niệm Logical Node
Khái niệm logical node đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ tiêu chuẩn. Các logical node là đối tượng cơ bản trao đổi thông tin và là xương sống trong việc mô hình hóa các thiết bị thực. Các logical node chứa một số tập hợp đối tượng dữ liệu xác định trước bắt buộc với các thuộc tính dữ liệu cụ thể. Thông tin chứa đựng trong các logical node được trao đổi bằng các dịch vụ với các quy tắc và các yêu cầu thực hiện được xác định trước.
c. Cấu trúc liên kết cho Bus trạm
Cấu trúc đơn sẽ là giải pháp khi các IED kết nối trực tiếp vào bus mà không qua các switch hay các bộ lặp. Giải pháp này thường không có tính dự phòng, tính sẵn sàng hay độ tin cậy cao. Để đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn, trong hầu hết các trường hợp đòi hỏi phải sử dụng các Ethernet switch hỗ trợ việc gắn nhãn ưu tiên.
Cấu trúc vòng bao gồm các switch hoặc các bộ lặp liên kết với nhau để nối các IED, máy tính trạm, máy tính chủ, … Ưu điểm của cấu trúc vòng là độ tin cậy của nó vì việc cô lập sự cố và phục hồi được thực hiện một cách dễ dàng.
d. Ngôn ngữ cấu hình hệ thống
IEC 61850 định nghĩa ngôn ngữ truyền thông trong tự động hóa trạm biến áp. Vì các IED gắn liền với hệ thống tự động hóa nên các thiết bị phải có một số thông tin giao tiếp với các thiết bị khác trong trạm. Vì vậy, một cấu hình phải được thực hiện trước khi các thiết bị làm việc với nhau. Sau khi kết nối vào hệ thống, các thiết bị có thể lấy thông tin cấu hình hệ thống một cách tự động.
e. Khả năng dự phòng và độ tin cậy
Khi nói về tự động hóa trạm biến áp, khả năng dự phòng sẽ là một mối quan tâm. Nó đảm bảo cho các hệ thống làm việc tin cậy. Các trạm biến áp lớn thường có hai hệ thống bảo vệ song song và có giải pháp khác để tạo sự tin cậy và khả năng dự phòng. Trong các trạm
biến áp nhỏ hơn thì không cần sử dụng hệ thống song song, IEC 61850 hỗ trợ các phương tiện khác để hệ thống tin cậy hơn.
Khả năng dự phòng của nội bộ IED chỉ phụ thuộc vào các nhà sản xuất và nằm ngoài phạm vi của tiêu chuẩn. Giải pháp cơ bản để nâng cao khả năng dự phòng ở mức truyền thông là lựa chọn một cấu trúc vòng sử dụng switch cho bus trạm. Giải pháp này hỗ trợ độ tin cậy khi một switch bị lỗi. Ở mức độ ứng dụng, IEC 61850 có nhiều hỗ trợ vì khả năng dự phòng có thể mô hình thẳng thành các chức năng. Khả năng dự phòng mức ứng dụng được mô hình trong SCL bằng cách đặt tên mỗi IED riêng lẻ, cung cấp thêm các mạng con và liên kết các logical node.
f. Đồng bộ hóa thời gian
Các sự kiện trong trạm có các yêu cầu thực thi nghiêm ngặt nên việc đồng bộ hóa thời gian đóng một vai trò quan trọng trong IEC 61850. Đối với mục đích quản lý các sự kiện trong trạm biến áp, các nhãn thời gian của sự kiện phải được nhất quán.