Nghiên ứu và xây dựng hệ thống điều khiển tíh hợp trạm biến áp 110kv

116KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHI 117 Trang 5 DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Nghĩa tiếng AnhNghĩa tiếng ViệtACSI Abstract Communication Service Interface Giao diện các dịch vụ truyền thô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY D ỰNG Ệ H THỐNG

Đ IỀU KHIỂN TR ẠM BIẾN ÁP 110kV

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KHIỂN TÍCH HỢP TRẠM 110kV

NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

MÃ SỐ:

HOÀNG HỮU HẬU

Người hướng dẫn khoa học: VS.GS.TSKH TRẦN ĐÌNH LONG

HÀ NỘI 2008

MỤC LỤC

MỤC LỤC ……… IDANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ……… II

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CẤU TRÚC VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG

CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN

13

2.1 Giới thiệu chung ……… 13 2.2 Cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển trạm biến áp … 26 2.3 So sánh chức năng giữa các thế hệ cấu trúc hệ thống

giám sát điều khiển trạm biến áp ………

TRẠM BIẾN ÁP 110kV KHÔNG NGƯỜI TRỰC

4.1 Mục đích ……… 95

4.2 Quy mô hệ thống ……… 95

4.3 Phương thức quản lý vận hành hệ thống ……… 99

4.4 Cơ sở xây dựng hệ thống ……… 99

4.5 Giải pháp kỹ thuật chính ……… 100

CHƯƠNG 5 PHƯƠNG ÁN VÀ LỘ TRÌNH XÂY DỰNG HỆ THÔNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TRẠM 110kV KHÔNG NGƯỜI TRỰC TẠI CÔNG TY ĐIỆN LỰC 1 112 5.1 Giới thiệu về Công ty Điện lực 1 ….……… 112

5.2 Lựa chọn phương án triển khai tổng thể ….………… 113

5.3 Đánh giá hiệu quả sau khi thực hiện xây dựng …… 115

5.4 Dự kiến lộ trình thực hiện ……… 116

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật

ngữ Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

ACSI Abstract Communication Service

Interface

Giao diện các dịch vụ truyền thông trừu tượng

ASDU Application Service Data Unit Thiết bị dịch vụ ứng dụng

BCU Bay Control Unit Thiết bị điều khiển mức ngăn CASM Common Application Service Module Dịch vụ ứng dụng chung

CSOM Client Server Object Models Mô hình đối tượng khách chủ

ComU Communications Unit Thiết bị truyền thông tin

C/P Control and Protection Unit Thiết bị điều khiển và bảo vệ

EMS Energy Management System Hệ thống quản lý năng lượng IEC International Electrotechnical

Commission

Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế IED Intelligent Electronic Device Thiết bị điện tử thông minh

Thuật

ngữ Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file

GOOSE Generic Object Oriented Substation

ICCP Inter - Control Centre Communications

Protocol

Giao thức truyền tin cho trung tâm điều khiển

MMS Manufacturing Message Specification Đặc tả cấu trúc bản tin

NCC Network Control Centre Trung tâm điều khiển mạng PLC Program Logic Component Bộ điều khiển Logic khả trình

RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối

SAS Substation Automated System Hệ thống tự động hoá trạm

SBO Select – Before – Operate Lựa chọn trước khi vận hành SCADA Supervisory Control and Data

Acquisition

Hệ thống giám sát điều khiển

và thu thập dữ liệu SCL Substation Configuration Language Ngôn ngữ cấu hình trạm

Thuật

ngữ Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

SDM Substation Data Mode Kiểu dữ liệu trạm biến áp

SQL Structured Query Language Ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc

TCI Tele Control Interface Trung tâm điều khiển từ xa TMI Tele Monitoring Interface Trung tâm giám sát từ xa

TCP/IP Transmission Control Protocol/

Internet Protocol

Giao thức điều khiển truyền tin/ giao thức Internet

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh hoạ sơ đồ chức năng của trạm biến áp trong hệ thống điện

Hình 2.1 Minh hoạ mô hình lớp giao thức thông tin

Hình 2.2 Mô hình theo giao thức OSI

Hình 2.3 Minh hoạ cấu trúc liên kết Bus

Hình 2.4 Minh hoạ cấu trúc liên kết mạch vòng

Hình 2.5 Minh hoạ cấu trúc liên kết hình sao

Hình 2.6 Quá trình phát triển hệ thống giám sát điều khiển trạm

Hình 2.7 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống giám sát điều khiển trạm truyền thống Hình 2.8 Mô hình cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển trạm truyền thống

Hình 2.9 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống giám sát điều khiển trạm ngày nay

Hình 2.10 Mô hình cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển trạm ngày nay

Hình 2.11 Cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển trạm theo IEC 61850

Hình 2.12 Mô hình nút logic của máy cắt

Hình 2.13 Cách nối thông thường của bộ đấu nối

Hình 2.14 Cách nối theo tiêu chuẩn IEC 61850 của bộ đấu nối

Hình 2.15 Mô phỏng quá trình đọc trạng thái thực của máy cắt

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối các phần tử của hệ thống giám sát điều khiển tích hợp

trạm biến áp

Hình 3.2 Mô phỏng xử lý dữ liệu của hệ thống giám sát điều khiển

Hình 3.3 Mô hình giao diện và cac chức năng của hệ thống tích hợp trạm

Hình 3.4 Các giao thức được lựa chọn trong trạm

Hình 3.5 Các giao thức được lựa chọn ngoài trạm

Hình 3.6 Minh hoạ cấu trúc logic của hệ thống tích hợp

Hình 3.7 Câu trúc vận hành hệ thống giám sát điều khiển tích hợp trạm

Hình 3.8 Mô phỏng hiển thị và phân tích bản ghi sự cố

Hình 4.1 Mô hình kết nối hệ thống giám sát điều khiển tại trạm biến áp

Hình 4.2 Mô hình kết nối hệ thống giám sát điều khiển tại Trung tâm Vận hành

trạm biến áp

Hình 4.2 Mô hình kết nối hệ thống thông tin từ trạm biến áp về Trung tâm Vận

hành trạm biến áp

Hình 5.1 Mô hình kêt nối theo phương án 1

Hình 5.2 Mô hình kêt nối theo phương án 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU

1.2 Tổng quan hiện trạng hệ thống giám sát điều khiển

trên thế giới và Việt Nam

15

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CẤU TRÚC VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG

CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN

21

2.1 Giới thiệu chung 21 2.2 Cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển trạm biến áp 34 2.3 So sánh chức năng giữa các thế hệ cấu trúc hệ thống

giám sát điều khiển trạm biến áp

44

CHƯƠNG 3 YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG GIÁM

SÁT ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP TRẠM BIẾN ÁP

50

3.1 Giới thiệu về hệ thống giám sát điều khiển tích hợp 50 3.2 Các yêu cầu của hệ thống giám sát điều khiển tích 53

hợp trạm biến áp

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN

TRẠM BIẾN ÁP 110kV KHÔNG NGƯỜI TRỰC

92

4.2 Quy mô hệ thống 94 4.3 Phương thức quản lý vận hành hệ thống 97 4.4 Cơ sở xây dựng hệ thống 97 4.5 Giải pháp kỹ thuật chính 98 CHƯƠNG 5 LỘ TRÌNH XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT

ĐIỀU KHIỂN TRẠM BIẾN ÁP 110kV KHÔNG

NGƯỜI TRỰC TẠI CÔNG TY ĐIỆN LỰC 1

111

5.1 Giới thiệu về Công ty Điện lực 1 111 5.2 Lựa chọn phương án triển khai tổng thể 113 5.3 Đánh giá sơ bộ hiệu quả sau khi thực hiện 114 5.4 Dự kiến lộ trình thực hiện 115

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

BCU Bay Control Unit Thiết bị điều khiển mức ngăn

CC Control Centre Trung tâm điều khiển

ComU Communications Unit Thiết bị truyền thông tin C/P Control and Protection Unit Thiết bị điều khiển và bảo vệ

CT Current Transformer Máy biến dòng

CU Control Unit Thiết bị điều khiển

EMS Energy Management System Hệ thống quản lý năng lượng

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file

GOOSE Generic Object Oriented

IEC International Electrotechnical

Commission

Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế

IED Intelligent Electronic Device Thiết bị điện tử thông minh ICCP Inter - Control Centre

Thuật ngữ Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

PU Protection Unit Thiết bị bảo vệ

RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối

SAS Substation Automated System Hệ thống tự động hoá trạm

SBO Select – Before – Operate Lựa chọn trước khi vận hànhSCADA Supervisory Control and Data

Acquisition

Hệ thống giám sát điều khiển

và thu thập dữ liệu SCL Substation Configuration

Language

Ngôn ngữ cấu hình trạm

SoE Sequen Of Event Bộ ghi sự kiện

SQL Structured Query Language Ngôn ngữ truy vấn cấu trúc

SU Station Unit Thiết bị trạm biến áp

TCI Tele Control Interface Trung tâm điều khiển từ xa TMI Tele Monitoring Interface Trung tâm giám sát từ xa TCP/IP Transmission Control

Protocol/ Internet Protocol

Giao thức điều khiển truyền tin/ giao thức Internet

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sách chức năng cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển TBA Bảng 5.1 Lộ trình dự kiến thực hiện

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh hoạ sơ đồ chức năng của trạm biến áp trong hệ thống điện Hình 2.1 Minh hoạ mô hình lớp giao thức thông tin

Hình 2.2 Mô hình theo giao thức OSI

Hình 2.3 Minh hoạ cấu trúc liên kết Bus

Hình 2.4 Minh hoạ cấu trúc liên kết mạch vòng

Hình 2.5 Minh hoạ cấu trúc liên kết hình sao

Hình 2.6 Quá trình phát triển hệ thống giám sát điều khiển trạm

Hình 2.7 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống giám sát điều khiển trạm biến áp truyền thống

Hình 2.8 Mô hình cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển trạm truyền thống Hình 2.9 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống giám sát điều khiển trạm ngày nay Hình 2.10 Mô hình cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển trạm ngày nay

Hình 2.11 Cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển trạm theo IEC 61850

Hình 2.12 Mô hình nút logic của máy cắt

Hình 2.13 Cách nối thông thường của bộ đấu nối

Hình 2.14 Cách nối theo tiêu chuẩn IEC 61850 của bộ đấu nối

Hình 2.15 Mô phỏng quá trình đọc trạng thái thực của máy cắt

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối các phần tử của hệ thống giám sát điều khiển tích

hợp trạm biến áp

Hình 3.2 Mô phỏng xử lý dữ liệu của hệ thống giám sát điều khiển

Hình 3.3 Mô hình giao diện và các chức năng của hệ thống tích hợp trạm Hình 3.4 Các giao thức được lựa chọn trong trạm biến áp

Hình 3.5 Các giao thức được lựa chọn ngoài trạm biến áp

Hình 3.6 Minh hoạ cấu trúc logic của hệ thống tích hợp trạm

Hình 3.7 Cấu trúc vận hành hệ thống giám sát điều khiển tích hợp trạm

Hình 3.8 Mô phỏng hiển thị và phân tích bản ghi sự cố

Hình 4.1 Mô hình kết nối hệ thống giám sát điều khiển tại trạm biến áp

Hình 4.2 Mô hình kết nối hệ thống giám sát điều khiển tại Trung tâm vận

hành trạm biến áp

Hình 4.2 Mô hình kết nối hệ thống thông tin từ trạm biến áp về Trung tâm

vận hành trạm biến áp

Hình 5.1 Mô hình kết nối hệ thống theo phương án 1

Hình 5.2 Mô hình kết nối hệ thống theo phương án 2

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị điện tử thông minh và công nghệ thông tin cùng với hạ tầng thông tin viễn thông ngày càng phát triển đã đem đến những cơ hội và nhu cầu ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến nhằm hiện đại hoá hệ thống điện Để mở rộng khả năng thao tác, nâng cao độ tin cậy và khai thác các thông tin từ cơ sở dữ liệu trạm biến áp phục vụ việc phân tích sự cố cũng như công tác quản lý vận hành thì vấn đề nghiên cứu hệ thống tích hợp trạm đang được rất nhiều chuyên gia quan tâm Mặt khác, khi chủ chương xã hội hoá ngành điện đã được triển khai tại tất

cả các Quốc gia, thì trong một tương lai không xa sẽ xuất hiện rất nhiều nhà sản xuất điện năng với nhiều hình thức sở hữu khác nhau cùng tham gia vào thị trường điện Điều đó đòi hỏi các doanh nghiệp kinh doanh điện năng cần phải tìm ra được phương thức quản lý tối ưu hệ thống điện từ nhà máy điện cho đến lưới điện phân phối nhằm mang lại lợi ích kinh tế tối đa

Trong quá trình công tác tại doanh nghiệp quản lý hệ thống điện, tác giả nhận thấy trạm biến áp 110kV có rất nhiều khía cạnh cần nghiên cứu, đặc biệt

là phần thứ cấp của trạm biến áp, nên đã chọn đề tài “Nghiên cứu, xây dựng

hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp 110kV” trên cơ sở tập hợp, đánh giá một cách có hệ thống các tài liệu có liên quan nhằm xây dựng hệ thống giám sát điều khiển trạm biến áp 110kV không người trực

Do thời gian có hạn và năng lực còn hạn chế nên luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong được sự chỉ bảo của các thầy, cô

và đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo VS.GS.TSKH Trần Đình Long, các thầy cô trong Bộ môn Hệ thống điện trường ĐH Bách Khoa Hà Nội và các đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này!

Hà Nội, tháng 10 năm 2008

Tác giả

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TRẠM BIẾN ÁP

Chức năng của trạm biến áp trong hệ thống điện được thể hiện trong hình

vẽ 1.1 Điện năng được sản xuất từ các nhà máy điện được đưa qua các máy biến áp tăng áp nhằm tăng điện áp lên mức cao, qua đường dây truyền tải chuyển đến trung tâm phụ tải, tại đây các máy biến áp hạ áp thực hiện giảm điện áp xuống mức thấp để cung cấp cho khách hàng Do đó có thể nói trạm biến áp là khâu rất quan trọng trong quá trình truyền tải năng lượng từ nhà sản xuất đến người tiêu dùng và hiện đại hoá các trạm biến áp cũng là một nhiệm

vụ quan trọng trong việc hiện đại hoá hệ thống điện nói chung

Hình 1.1 Minh hoạ sơ đồ chức năng của trạm biến áp trong hệ thống điện

1.1 Sự cần thiết xây dựng hệ thống giám sát điều khiển trạm

Quá trình nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát điều khiển trạm biến áp thực chất đây là quá trình thực hiện tự động hoá trạm Quá trình nghiên cứu này luôn xét đến hai yếu tố đó là tính kinh tế và tính kỹ thuật

1.1.1 Tính kinh tế

Nhu cầu thông tin về hệ thống iện mang lại cho doanh nghiệp sức mạnh đ

để thành công h n và có tính cạnh tranh cao trong một thị tr ờng cạnh tranh ơ ư

kinh doanh điện năng Trong môi tr ờng này, các thông tin trở thành nhu cầu ưquan trọng giúp cho việc đưa ra các quyết ịnh kịp thời và chính xác mà các đtrạm biến áp truyền thống không thể thu thập thông tin đáp ứng sự đòi hỏi của thị trường điện Những yếu tố ảnh hưởng đến tính kinh tế được thể hiện cụ thể

ở các vấn đề sau:

1.1.1.1 Những thay ổi khi có thị tr đ ường điện

Khi thị trường điện phát triển, sẽ dự báo ngày càng có nhiều thay ổi mô đhình tổ chức quản lý hệ thống điện tương lai Trong thị tr ờng điện truyền ưthống các trung tâm kiểm soát iện n ng được điều chỉnh trong phạm vi hẹp đ ăgiữa các khu vực trong một quốc gia, năng lượng sẽ do một doanh nghiệp đảm nhiệm đóng vai trò kiểm soát và mua bán iện nđ ăng Khi chủ trương xã hội hoá ngành iện của các Quốc gia được xem là bắt buộc thì một thị trđ ường điện cạnh tranh được hình thành, dần ần vai trò một chủ thể doanh nghiệp dquản lý kinh doanh hệ thống điện biến mất và sẽ có nhiều doanh nghiệp cùng tham gia cung cấp dịch vụ năng lượng trong tương lai

1.1.1.2 Giảm chi phí trong quá trình vận hành

Khi các trạm biến áp được trang bị các thiết bị có khả năng giám sát và điều khiển từ xa thì việc giảm các chi phí liên quan đến công tác vận hành là yếu tố chủ yếu có ảnh hưởng đến toàn bộ lợi ích kinh tế Những yếu tố sau đây làm giảm các khoản chi phí trong công tác vận hành:

- Giảm được số lượng nhân viên tham gia vào công tác vận hành trạm biến

áp tức là làm giảm được các chi phí liên quan đến chi phí tiền lương, tiền phụ cấp, tiền trang bị trang bị bảo hộ lao động và các chi phí sinh hoạt khác

- Giảm được thời gian xử lý do hệ thống được trang bị là các rơ le kỹ thuật

số, thiết bị điện tử thông minh sẽ thực hiện chính xác các chức năng phức tạp hơn người vận hành

1.1.1.3 Giảm chi phí bảo dưỡng

Giảm chi phí do hỏng hóc và khắc phục: Vấn đề xử lý hỏng hóc ở các

trạm biến áp truyền thống mất rất nhiều thời gian do hệ thống dây dẫn đấu nối tại các tủ bảng điện của thiết bị bảo vệ và iều khiển rất phức tạp Ở các trạm đbiến áp đã có hệ thống giám sát điều khiển hiện đại, thì thời gian phát hiện hỏng hóc và khắc phục được giảm thiểu bởi vì hệ thống dây dẫn được thiết kế với cấu trúc ít phức tạp h n và có thể xử lý trực tiếp tại các phần mềm chuyên ơdụng mà không phải ngừng vận hành các thiết bị tại trạm biến áp

Giảm chi phí bảo d ỡng thiết bị sơ cấp: ư Nhờ có các thông tin dữ liệu được cập nhật chính xác và kịp thời từ phần mềm hệ thống về tình trạng của thiết bị trong suốt quá trình vận hành nên có thể tiến hành công tác bảo dưỡng thiết bị sơ cấp ngay mà không cần phải xác định nguyên nhân như đối với trạm biến áp truyền thống

Giảm chi phí bảo d ưỡng thiết bị bảo vệ và điều khiển: Các rơ le kỹ thuật

số, thiết bị điện tử thông minh có khả năng tự kiểm tra phát hiện những hư hỏng đồng thời cho phép sửa chữa thay thế mà không làm ảnh hưởng đến quá trình vận hành của trạm Mặt khác, với hàng loạt các phần mềm công nghiệp chuyên dụng được đưa vào sử dụng đã làm giảm đáng kể thời gian dành cho công tác thí nghiệm và bảo dưỡng định kỳ các thiết bị iều khiển và bảo vệ so đvới trạm sử dụng các r le truyền thống chỉ dùng bán dẫn thông thường.ơ

Giảm chi phí lắp đặt trạm: Các tính toán cho thấy rằng với thiết bị mới

hiện ại có thể sẽ giảm được các chi phí lắp đặt trạm Tuy nhiên trong trường đhợp này, cần phải tính toán chi tiết để giảm ác chi phí lắp đặt hệ thống giám csát điều khiển trạm hiện đại so với hệ thống trạm truyền thống Những vấn đề sau đây được coi là những yếu tố góp phần làm giảm phần lớn chi phí:

• Giảm chi phí lắp đ ặt cáp đ iều khiển và bảo vệ: Việc lắp đặt cáp trong các mương cáp từ các ngăn lộ cho tới phòng iều khiển trong trạm biến áp đkiểu truyền thống hiện nay chiếm rất nhiều diện tích xây dựng Mặt khác cách

lắp cáp kiểu này sẽ phải chịu tác ộng của các yếu tố: Môi trđ ường làm h ưhỏng, sự cố cáp hoặc bị nhiễu tín hiệu do hiện tượng cảm ứng Đến khi có sự

cố về cáp đòi hỏi phải có mặt tại hiện tr ờng ư để tiến hành các các công việc thay thế hoặc sửa chữa Việc xây dựng hệ thống giám sát điểu khiển trạm hiện đại sẽ không òi hỏi xây dựng hệ thống mương cáp quá lớn, mà chỉ cần hệ đthống mương nhỏ vừa đủ cho việc lắp đặt cáp chuyên dụng cho mục đích trao đổi thông tin liên lạc giữa các thiết bị sơ cấp, tủ iều khiển ng n lộ tại chỗ đ ăhoặc trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua một thiết bị trung gian Điều này cũng làm giảm đáng kể diện tích trạm biến áp mới so với trước đây

• Giảm chi phí mua thiết bị chuyên dụng cho từng chức năng: Khi xây

dựng hệ thống giám sát điều khiển hiện đại sẽ cắt giảm được chi phí nhờ công nghệ mới và tiết kiệm được một khoản kinh phí lớn khi nâng cấp, bảo dưỡng các thiết bị như SCADA, RTU, bộ ghi sự kiện, tủ bảng iều khiển đ

• Giảm chi phí khi mở rộng trạm biến áp: Đối với các trạm truyền

thống, khi có yêu cầu: tăng số lộ xuất tuyến thì cần có sự thay ổi về diện tích đ

để lắp đặt cáp, đặt tủ bảng điện phục vụ tính n ng mới Trong khi đó, hă ệ thống giám sát điều khiển trạm hiện đại không cần những thay đổi trên, chúng chỉ cần bổ sung tính năng, thiết kế lại giao diện tại phần mềm của hệ thống

Để nhìn nhận rõ hơn yếu tố các lợi ích kinh tế trên mang lại, ta xem xét một

ví dụ cụ thể khi Công ty Omaha Public Power District(OPPD) thực hiện xây dựng hệ thống giám sát điều khiển hiện đại cho thấy: Chỉ cần đầu tư 27.000 USD để xây dựng cho một trạm biến áp, khoản chi phí này là không đáng kể

so với lợi ích thu được Hơn thế nữa Công ty OPPD còn tiết kiệm rất nhiều các hạng mục đầu tư và chi phí khi mua tủ bảng điện điều khiển và bảo vệ, các rơ le, dây dẫn, giảm kính thước phòng điều khiển và chi phí nhân công Kết quả tổng ước tính chi phí giảm khi xây dựng một trạm biến áp phân phối

cỡ nhỏ thu được ghi trong bảng 1.2 dưới đây[ ]7

Bảng 1.1 Ước tính giảm chi phí xây dựng hệ thống giám sát điều khiển hiện đại

3 Giảm số rơle 2 Cái $3500 $7000 20 $1600 $8600

4 Giảm số rơle các 10 Cái $2500 $25000 20 $8000 $33000

1.1.2.1 Yêu cầu dữ liệu

Thông tin cơ bản dữ liệu trạm có vai trò chủ yếu trong việc tối ưu hoá quản

lý hệ thống iện n ng Doanh nghiệp sẽ không thể cạnh tranh đưđ ă ợc nếu không

có các thông tin chính xác và kịp thời về toàn bộ hệ thống iện Dữ liệu đtruyền từ các trạm biến áp ến các Trung tâm Điều khiển cần phải liên tục đCác chương trình quản lý năng l ợng ư để cung cấp thông tin về lượng điện sẵn sàng cung cấp và đo đếm n ng lưă ợng sử dụng các dữ liệu nh : tình trạng máy ưcắt, lấy mẫu thời gian thực của Watts, Volts, Amps…

Trên đây là các các dữ liệu cần có trong hệ thống iện hiện đ đại Trong tương lai, các tín hiệu giám sát, bảo vệ tại các trạm được truyền về Trung tâm điều khiển iện n ng Tại đây Trung tâm sẽ thực hiện các quyền điều đ ăkhiển thay cho việc thao tác tại trạm như hiện nay iều này òi hỏi các trạm Đ đhiện nay cần phải được nâng cấp thành các trạm tự động hoá hoàn toàn mà có khả năng cung cấp các dữ liệu chính xác và kịp thời

1.1.2.2 Lư u hồ s tài liệu ơ

Ngày nay, các doanh nghiệp gặp nhiều khó khăn trong việc l u trữ hồ s ư ơ

tài liệu về tất cả những thay ổi khi nâng cấp và sửa chữa trạđ m Nói cách khác, không có các hồ s tài liệu phản ánh các dữ liệu thực đã diễn ra của ơ thiết bị sơ cấp, dẫn đến lãng phí một khoảng thời gian đáng kể ể kiểm tra lại đphương thức lắp ặt hiện tại tr ớc khi bắt ầu triển khai nâng cấp hoặc thay đ ư đđổi phương thức lắp đặt mới

Tại các trạm biến áp được xây dựng hệ thống giám sát điểu khiển hiện đại thì hệ thống luôn có tính năng tự ộng lập hồ s tài liệu và cấu hình hệ thống đ ơngay cả trong khi triển khai lắp ặt Trạng thái của thiết bị được cập nhật liên đtục trước và sau khi hệ thống mới vào vận hành iều này giúp cho việc nâng Đcấp, sửa chữa thiết bị sơ cấp trong trạm đơn giản h n và mất ít thời gian hơ ơn

1.1.2.3 Tính năng

Không giống nh hệ thống trạm truyền thống òi hỏi phải thay ư đ đổi về thiết

bị sơ cấp trước khi tiến hành bổ sung thêm các chức n ng mới, trong khi đó ă

hệ thống giám sát điểu khiển trạm hiện đại cho phép bổ sung các chức năng

mà không cần phải thay thế thiết bị sơ cấp trước iều này cho phép hệ thống Đ

có khả năng lựa chọn chức năng từ các phần cứng khác nhau và cung cấp dữ liệu yêu cầu bởi phần mềm ở trạm chủ thông qua đường truyền thông tin

1.1.2.4 Độ tin cậy

Hệ thống giám sát điều khiển trạm hiện đại có khả năng xác định chính xác thông tin về hệ thống iện sẽ rút n ắn thời gian xác ịnh các nguyên nhân sự đ g đ

cố, từ đó giúp cho việc phục hồi các sự cố trong trạm được nhanh hơn[21]

1.2 Tổng quan hiện trạng hệ thống giám sát điều khiển tích hợp trạm trên Thế giới và Việt Nam

1.2.1 Trên Thế giới:

Sau nhiều giai đoạn nghiên cứu ứng dụng khoa học kỹ thuật vào việc cải thiện và khai thác các chức năng trạm biến áp, các nhà khoa học trên Thế giới

đã xây dựng được các tiêu chuẩn truyền thông cho hệ thống giám sát điểu khiển trạm hiện đại Đặc biệt khi tiêu chuẩn IEC 61850 được Uỷ ban Kỹ thuật điện Quốc tế phát hành thì một loạt các nước công nghiệp ở châu Âu, châu

Mỹ đã tận dụng các thế mạnh của tiêu chuẩn để xây dựng các cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển hiện đại trạm biến áp trong ngành công nghiệp điện lực phù hợp với đặc điểm riêng của hệ thống điện nước mình

Hiện nay, xu hướng nghiên cứu hệ thống giám sát điều khiển tích hợp trạm tại các Công ty Điện lực ở nước công nghiệp phát triển tồn tại ở ba cấp độ:

• Cấp độ thứ nhất: Sử dụng các chức năng của thiết bị điện tử thông minh giống như rơ le truyền thống

• Cấp độ thứ hai: Tích hợp các chức năng của thiết bị điện tử thông minh

• Cấp độ thứ ba: Khi sự tích hợp gia tăng trong các IED thì tiến hành tích hợp hoàn toàn hệ thống giám sát điều khiển trạm

Lần đầu tiên, năm 2004 Công ty Siemens PTD tận dụng những lợi ích của Tiêu chuẩn IEC 61850 đã ban hành liên quan đến công tác tự động hoá trạm biến áp, tiến hành thay thế các thiết bị đóng cắt đã trên 40 năm tuổi ở Winznauschanchen - Thuỵ Sỹ bằng thiết bị đóng cắt hợp bộ vỏ kim loại có chia ngăn NXPlus C Các chức năng bảo vệ và điều khiển được thực hiện bởi các thiết bị có sự kết hợp giữa bảo vệ và điều khiển ngăn lộ Việc xây dựng hệ thống bảo vệ và điều khiển trạm biến áp theo công nghệ mới tiên tiến nhất này cho phép thực hiện điều khiển trạm biến áp từ xa hay tại chỗ

Công ty Siemens PTD cũng tận dụng tối đa công nghệ thông tin và khả năng liên kết mạng để tích hợp các thiết bị hiện hữu tại trạm Về mặt này các Driver liên lạc có sẵn tại trạm sẽ tạo các thủ tục giao tiếp chung tại cấp trạm, cấp ngăn lộ ngoài các Driver IEC Tại trạm biến áp, có các giao tiếp cho máy chủ OPC và máy con để tích hợp với các ứng dụng phần mềm văn phòng hay

hệ thống cơ sở dữ liệu Ban đầu Siemens PTD hiệu chỉnh hệ thống bảo vệ

Siprotec 4 để các dải thiết bị này có thể triển khai cho điều khiển trạm như thiết bị điều khiển ngăn lộ hay kết hợp điều khiển và bảo vệ Ngoài ra việc thiết kế các phần mềm chỉnh định thiết bị phải là phần mềm có thể thay đổi được theo cấu hình trạm biến áp khi có sửa chữa thay thế, nâng cấp[11]

Ngày nay tại khu vực Bắc Mỹ, các Tập đoàn và Công ty Điện lực đã áp dụng các tiêu chuẩn, nhất là tiêu chuẩn IEC 61850 do Uỷ ban Kỹ thuật điện Quốc tế ban hành, tiến hành xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp trạm trên

cơ sở các chức năng của IED để vận hành các trạm biến áp hoàn toàn tự động

1.2.2 Tại Việt Nam:

1.2.2.1 Tại Tập đoàn Điện lực Việt Nam

Hệ thống trạm biến áp tại Việt Nam với cơ sở hạ tầng được xây dựng từ các thiết bị điện của rất nhiều hãng khác nhau như Liên Xô (nay là LB Nga), châu Âu và bắc Mỹ Sau một thời gian dài vận hành đã xuất hiện sự xuống cấp, lạc hậu một số bộ phận Bên cạnh đó các Công ty Điện lực thuộc EVN vẫn thường xuyên, định kỳ thay thế sửa chữa nhằm đảm bảo hệ thống vận hành an toàn Đến nay các thiết bị trong trạm biến áp có nguồn gốc từ các hãng khác nhau được lắp đặt đan xen nhau, thiếu tính đồng bộ dẫn đến việc thay thế gặp nhiều khó khăn, kinh phí lớn cho công tác sửa chữa nâng cấp Hầu hết các trạm biến áp hiện nay tại Việt Nam đều vận hành dưới sự điều khiển của con người, dẫn đến chi phí vận hành cao Việc thực hiện đóng cắt dưới sự điều hành của điều độ viên, rồi thông qua nhân viên vận hành trạm trực tiếp thao tác Theo các số liệu báo cáo của EVN thì đến nay số trạm biến

áp 110kV sử dụng RTU chỉ chiếm khoảng 20%, ngoài ra việc truy nhập dữ liệu từ xa đối với IED của trạm cũng chưa được đưa vào hệ thống, chính vì vậy chưa khai thác triệt để các tiện ích từ IED Ví dụ ngoài các chức năng thu thập dữ liệu phục vụ điều hành hệ thống thì cần phải khai thác dữ liệu off-line

để có thể phân tích hệ thống kỹ hơn như phân tích sự cố[ ]8

Từ việc nhận thức được vị trí vai trò của các trạm biến áp cần được tự động hoá, tạo ra bước phát triển nhảy vọt trong lĩnh vưc ứng dụng công nghệ thông tin, kỹ thuật số nhằm đạt các lợi ích chiến lược lâu dài phát triển sản xuất kinh doanh cũng như là bước khởi đầu để tiến tới xây dựng một thị trường điện, EVN đã liên tục tổ chức các khoá đào tạo tìm hiểu về hệ thống tự động hoá trạm cho các học viên đến từ các Công ty Tư vấn, Công ty Truyền tải điện và Công ty Điện lực Tại đây, các chuyên gia nước ngoài trong Hiệp hội Kỹ thuật điện và Điện tử quốc tế IEEE đã giảng dạy những kiến thức cơ - bản về tự động hoá trạm cũng như lợi ích của việc tự động hoá mang lại cho các chuyên gia và cán bộ đầu ngành tại EVN với mục đích nghiên cứu, xây dựng hệ thống tự động hoá thử nghiệm tại một số trạm biến áp trung gian 35

kV cho đến các trạm biến áp khu vực 110kV và 220kV Qua việc học tập, nghiên cứu công nghệ tự động hoá trạm biến áp sẽ giúp cho học viên có được các thông tin đầy đủ hơn về các thông số kỹ thuật và tình trạng của các thiết

bị trạm biến áp thông qua giao diện người máy Việc thu thập dữ liệu sự cố, - thực hiện chỉnh định cài đặt rơ le bảo vệ có thể thực hiện dễ dàng thông qua máy tính chủ tại trạm, xây dựng cơ sở dữ liệu thu thập được từ trạm biến áp Với các dữ liệu đó người sử dụng có thể phát triển một loạt các ứng dụng như các Module tính toán quá tải cho đường dây và máy biến áp, chương trình quản lý trạm, chương trình quản lý bảo dưỡng, xây dựng biểu đồ và báo cáo định kỳ cung cấp cơ sở dữ liệu cho hệ thống SCADA/EMS cũng như các phần mềm quản lý ở cấp Công ty và Tập đoàn.[ ]9

Trong những năm 90, EVN đã triển khai thí điểm xây dựng hệ thống giám sát điều khiển trạm 220kV Tràng Bạch, Vật Cách, Đồng Hoà, Nhà Bè, Nam Định , sử dụng hệ tự động hoá trạm của hãng Siemens theo phương pháp sử dụng máy tính cá nhân với phần cứng của Intel chạy trên hệ điều hành Windows-NT 4.0 để thực hiện vai trò trạm làm việc (Workstation) Các thiết

bị điện tử thông minh kiểu Master Unit dạng 6MB5xxx được dùng ghép nối

với hệ thống điện của trạm Cấu hình này tương đối đơn giản và giá thành hạ,

đã giải quyết được vấn đề tự động hoá trạm ở mức cục bộ Cấu hình của thiết

bị 6MB5xxx được cài đặt từ máy tính xách tay và phần cứng được thiết kế sẵn cổng ra để kết nối với mạng truyền tin Trải qua thời gian vận hành thì hiện nay chỉ còn trạm biến áp 220kV Nam Định vẫn hoạt động bình thường và chưa phải thay thế sửa chữa Điều bất cập tại các trạm biến áp này, đó là hệ thống giám sát điều khiển có cấu trúc đóng kín, sử dụng các giải pháp và giao thức truyền tin riêng của nhà cấp hàng thay vì theo các chuẩn quốc tế thống nhất, nghĩa là người mua phụ thuộc rất nhiều vào nhà cung cấp trong quá trình vận hành, bảo dưỡng cũng như nâng cấp hệ thống Các thông tin thu thập và hiển thị giao diện người máy chưa phong phú, thiếu hệ thống quản - trị cơ sở dữ liệu cho phép người sử dụng khai thác một cách hiệu quả các thông tin có thể thu thập được Một nhược điểm nữa là mức độ dự phòng của

hệ thống rất thấp hoặc không có dự phòng gây khó khăn cho quá trình vận hành khi xảy ra bất kỳ sự cố đơn lẻ nào trong hệ thống điều khiển trạm[ ]1

Sự phát triển của nền kinh tế tri thức trong công nghệ thông tin, thiết bị điện tử thông minh, cùng với sự tham gia ngày càng nhiều của mọi thành phần kinh tế ngoài EVN trong hoạt động điện lực theo lộ trình hình thành thị trường điện đã được Thủ Tướng Chính phủ Việt Nam phê duyệt tại Quyết định 26/2006/QĐ-TTg ngày 26/01/2006, là cơ hội và cũng là thánh thức đòi hỏi ngành điện phải đổi mới và đồng bộ hoá các thiết bị điện nâng cao hiệu quả vận hành, độ tin cậy cung cấp điện, đảm bảo chất lượng điện năng, đó

là những yếu tố mang tính quyết định đảm bảo lợi ích kinh tế lâu dài trong quá trình thực hiện sản xuất kinh doanh của EVN

1.2.2.2 Tại Công ty Điện lực 1

Tháng 10/2003 Công ty Điện lực 1 đã xây dựng kế hoạch và lập báo cáo khảo sát thực hiện thí điểm xây dựng hệ thống giám sát điều khiển trạm biến

áp trung gian 35/10kV Hoà Mạc-tỉnh Hà Nam, từ đó triển khai cho các trạm

biến áp khác do Công ty quản lý Đến tháng 3/2004, các trạm biến áp 110kV Đồi Cốc - tỉnh Bắc Giang, Long Bối tỉnh Thái Bình và Núi 1 tỉnh Thanh - - Hoá được nâng cấp thay thế bằng thiết bị đóng cắt, hệ thống tủ bảng điện sử dụng thiết bị công nghệ số và xây dựng hệ thống giám sát điều khiển và bảo

vệ cho trạm trên cơ sở áp dụng công nghệ tiên tiến để tích hợp các chức năng theo phương thức điều khiển từ xa

Đến nay các dự án trên vẫn nằm trong giai đoạn sơ khai do hạn chế về năng lực thẩm định, lựa chọn giải pháp kỹ thuật khi cải tạo nâng cấp thiết bị, dẫn đến thiết bị lựa chọn thiếu tính đồng bộ, các giao thức lựa chọn cho truyền thông trong trạm chưa phù hợp với yêu cầu kỹ thuật theo các tiêu chuẩn Quốc

tế đã ban hành: IEC60870-5-101, IEC61850 Các rơ le số được trang bị chưa thực hiện giao tiếp với thiết bị cũ đang vận hành để truyền tín hiệu về Trung tâm Điều độ miền và Điều độ khu vực

1.2.3.4 Kết luận

Với phương án tận dụng tối đa các trang thiết bị hiện có tại các trạm biến

áp trên thì vấn đề thực hiện tự động hoá trạm mang tính thống nhất cho toàn

hệ thống còn gặp rất nhiều khó khăn: Vốn đầu tư xây dựng, giải quyết vấn đề lao động sau khi thực hiện tự động hoá Nhưng với cơ sở hạ tầng hệ thống thông tin liên lạc bằng cáp quang, tải ba đã được xây dựng phục vụ cho công tác SCADA/EMS và những lợi ích của công tác tự động hoá trạm mang lại như đã trình bày ở trên thì việc nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động hoá đáp ứng các tiêu chí của trạm biến áp vận hành hoàn toàn tự động cho toàn bộ

hệ thống các trạm biến áp trong Công ty là nhu cầu cấp thiết, nó giải quyết được bài toán kinh tế kỹ thuật nhằm giảm các chi phí trong quá trình vận hành, bảo dưỡng và nâng cấp hệ thống

Mặt khác, khi công tác tự động hoá trạm được thực hiện trên toàn hệ thống trạm biến áp sẽ mang lại diện mạo mới cho doanh nghiệp vì sự cạnh tranh, tồn tại và phát triển của Công ty trong tương lai

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CẤU TRÚC VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN

2.1 Giới thiệu chung

- Hệ thống giám sát điều khiển trạm biến áp là tập hợp các thiết bị với các

chức năng khác nhau được liên kết với nhau theo một nguyên tắc chung để

thực hiện một mục đính nào đó

- Hệ thống giám sát điều khiển bao gồm giao thức truyền tin và cấu trúc

mạng thông tin, trong đó giao thức thông tin đóng vai trò then chốt, quyết

định trong việc xây dựng cấu trúc mạng thông tin

2.1.1 Giao thức thông tin

2.1.1.1 Khái niệm

Giao thức thông tin được hiểu là quy tắc hay cách thức nào đó được thực

hiện tuân theo một tiêu chuẩn nhất định để các thiết bị có thể giao tiếp được

với nhau Một quy chuẩn giao thức phải bao gồm:

+ Cú pháp (Syntax): Quy định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng để

trao đổi Trong đó có phần tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ như

địa chỉ, thông tin điều khiển, kiểm soát lỗi, xác ịnh quy cách gửi tin.đ

+ Ngữ nghĩa (Semantic): Quy định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong

bức điện, nh ph ng pháp đư ươ ịnh ịa chỉ, ph ng pháp bảo toàn dữ liệu, thủ đ ươ

tục điều khiển dòng thông tin, xử lý lỗi

+ Định thời (Timing): Quy định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ

truyền ồng bộ hay không ồng bộ, tốc ộ truyền thông đ đ đ

Giao thức được phân thành từ lớp giao thức thông tin (Communication

Protocol Stack) Đứng từ phía gửi thông tin qua mỗi lớp từ trên xuống dưới

một số thông tin bổ trợ lại được gắn thêm vào dữ liệu do lớp trên đưa xuống

gọi là đầu giao thức (Protocol Header) như hình 2.1 Bên cạnh đó, thông tin

cần truyền đi có thể chia thành nhiều bức điện có đánh số thứ tự hoặc một bức điện có thể là tổng hợp của nhiều nguồn tin khác nhau, người ta dùng khái niệm “đóng gói dữ liệu” hoặc “tạo khung” để chỉ các thao tác này

Đối với bên nhận thông tin, quá trình diễn ra ngược lại: các Header sẽ được các lớp tương ứng đọc, phân tích và tách trước khi gửi tiếp lên lớp trên Các bức điện mang nguồn thông tin khác nhau sẽ được phân chia tương ứng Đến lớp trên cùng, thông tin nguồn được tái tạo.[ ]5

Hình 2.1 Minh hoạ mô hình lớp giao thức thông tin

Chú giải hình vẽ:

Protocol Data Unit (PDU) – Đơn vị dữ liệu giao thức

Service Data Unit (SDU) – Đơn vị dữ liệu dịch vụ

Protocol Control Information (PCI) – Thông tin điều khiển giao thức

2.1.1.2 Kiến trúc giao thức OSI-Open System Interconnection

Năm 1983, Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế (ISO) đã đưa ra kiến trúc giao

thức chuẩn ISO7498 được gọi là mô hình quy chiếu OSI (Open System Interconnection-Reference Model) nhằm hỗ trợ việc xây dựng các hệ thống thông tin có khả năng tương tác

Kiến trúc giao thức OSI là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó

có cả việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông nhằm hỗ trợ xây dựng phát triển các hệ thống mới Hệ thống mở được hiểu là hệ thống kết nối với hệ thống khác để trao đổi thông tin với nhau nếu chúng tuân thủ

mô hình tham chiếu và các chuẩn liên quan

Hình 2.2 Mô hình theo giao thức OSI

Theo mô hình tham chiếu OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống thông tin được chia thành 7 lớp (Hình 2.2) Với việc định nghĩa 7 lớp như vậy, OSI đưa ra một mô hình trừu tượng cho các quá trình giao tiếp phân cấp Nếu hai hệ thống thực hiện cùng các dịch vụ và trên cơ sở một giao thức giống nhau ở một lớp, thì có nghĩa là hai hệ thống có khả năng tương tác ở lớp đó Các lớp trong mô hình tham chiếu OSI cụ thể như sau:

+ Lớp ứng dụng (Application layer): Lớp ứng dụng là lớp trên cùng

trong mô hình tham chiếu OSI Nó có chức năng cung cấp các dịch vụ ứng dụng cho các phương tiện truy nhập vào hệ thống để xử lý các ứng dụng trong

hệ thống mở

+ Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation layer): Lớp biểu diễn dữ liệu có

chức năng cung cấp các dịch vụ nhằm chuyển đổi các dạng dữ liệu khác nhau

về cú pháp thành một dạng chuẩn nhằm tạo điều kiện cho các đối tác truyền thông có thể hiểu được nhau mặc dù chúng ở các kiểu dữ liệu khác nhau Ngoài ra lớp này còn có thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu, chẳng hạn như mã khoá

+ Lớp kiểm soát nối (Session layer): Lớp kiểm soát nối có chức năng

kiểm soát mối liên kết thông tin giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lý, kết thúc và thiết lập các đường nối giữa các ứng dụng đối tác Mối liên kết chương trình ứng dụng mang tính chất logic, thông qua mối liên kết vật lý nút mạng và có thể tồn tại song song nhiều liên kết logic Thông thường kiểm soát nối thuộc chức năng của hệ điều hành Nhiệm vụ đồng bộ hoá các quá trình tính toán song song khi sử dụng chung một giao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểm soát nối, vì vậy lớp này còn có tên là lớp đồng bộ hoá

+ Lớp vận chuyển (Transport layer): Khi khối dữ liệu chuyển đi thành

từng gói và đảm bảo các gói dữ liệu được vận chuyển đều đến đích và đúng trình tự bao gồm các chức năng thiết lập kênh logic giữa các hệ thống đầu

cuối, như giữa thiết bị đầu cuối và máy chủ, để lớp phiên ngay trên nó đảm bảo việc truyền dữ liệu qua các thủ tục dò tìm lỗi, phục hồi Các nhiệm vụ cụ thể của lớp vận chuyển bao gồm:

• Quản lý tên hình thức cho các trạm sử dụng;

• Định vị các đối tác thông tin qua tên hình hình thức hoặc địa chỉ;

• Dồn kênh các nguồn dữ liệu khác nhau;

• Đồng bộ hoá giữa các trạm đối tác;

• Xử lý lỗi và kiểm soát dòng thông tin trong đó có cả việc thiết lập lại quan hệ liên kết và thực hiện các thủ tục gửi lại dữ liệu khi cần thiết

Để thực hiện việc vận chuyển một cách tin cậy và hiệu quả một dữ liệu cần chuyển đi có thể được chia thành nhiều đơn vị vận chuyển (data segment unit)

có đánh số thứ tự kiểm soát trước khi bổ sung các thông tin kiểm soát lưu thông

+ Lớp mạng (Network layer): Lớp mạng sử dụng các chức năng truyền

dữ liệu giữa các nút mạng độc lập do lớp liên kết dữ liệu cung cấp để thực hiện trao đổi dữ liệu Nhiệm vụ của lớp này là tìm ra đường đi tối ưu (roating) cho việc vận chuyển dữ liệu và giải phóng sự phụ thuộc vào các lớp bên trên, phương thức chuyển giao dữ liệu và công nghệ chuyển mạch dùng để kết nối các hệ thống khác nhau

+ Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer): Lớp này có các chức năng

truyền dẫn dữ liệu thông qua mối liên kết vật lý trong đó bao gồm việc điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn và bảo toàn dữ liệu Lớp này được chia thành hai lớp: Lớp điều khiển truy nhập môi trường (Medium Access Control-MAC) và lớp điều khiển liên kết logic (Logical Link Control-LLC)

Để bảo toàn dữ liệu, thông tin nhận được từ bên gửi được đóng gói thành các bức điện có chiều dài hợp lý (frame) Lớp liên kết dữ liệu phía bên nhận thông tin dựa vào những thông tin này để xác định tính chính xác của dữ liệu, sắp xếp các khung theo đúng trình tự và khôi phục lại thông tin để chuyển chúng

lên lớp trên nó

+ Lớp vật lý (Physical layer: Đây là lớp dưới cùng trong mô hình phân

lớp chức năng Lớp này đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý Các qui định sau đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền thông:

• Các chi tiết về cấu trúc mạng (bus, cây, hình sao )

• Chuẩn truyền dẫn (RS-485, RS-232, truyền cáp quang )

• Phương pháp mã hóa bit

• Chế độ truyền tải (dải rộng/dải cơ sở; đồng bộ/không đồng bộ)

• Các tốc độ truyền cho phép

• Giao diện cơ học (phích cắm, rắc cắm )

2.1.1.3 Kiến trúc giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/

Internet Protocol)

Kiến trúc giao thức TCP/IP là kết quả nghiên cứu phát triển trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên ARPANET do ARPA (Advanced Reseach Project Agency) thuộc Bộ quốc phòng Mỹ tài trợ Hiện nay giao thức TCP/IP đã được công nhận thành chuẩn giao thức cho Internet Kiến trúc giao thức TCP/IP được sắp xếp thành 5 lớp độc lập Các lớp của kiến trúc giao thức TCP/IP cụ thể như sau:

+ Lớp ứng dụng: Thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều

ứng dụng khác nhau Với mỗi loại ứng dụng cần một module riêng biệt, ví dụ: FTP (File Transfer Protocol) cho chuyển giao file, TELNET cho làm việc với trạm chủ từ xa, SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) cho chuyển thư điện

tử, SNMP (Simple Network Management Protocol) cho quản trị mạng và DNS (Domain Service) phục vụ tra cứu danh sách tên và địa chỉ trên Internet + Lớp vận chuyển: Cơ chế đảm bảo dữ liệu được vận chuyển một cách tin cậy hoàn toàn không phụ thuộc vào đặc tính của các ứng dụng dữ liệu Chính vì thế cơ chế này được sắp xếp một cách độc lập để tất cả các ứng dụng

khác nhau có thể sử dụng chung, được gọi là lớp vận chuyển Có thể thấy rằng TCP là giao thức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục vụ việc thực hiện chức năng nói trên TCP hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối Bên cạnh TCP, giao thức UDP (User Data Protocol) cũng được sử dụng cho lớp vận chuyển Nhưng khác với TCP, UDP cung cấp dịch vụ không có nối cho việc gửi dữ liệu mà không đảm bảo tuyệt đối đến đích, không đảm bảo trình tự đến đích của các gói dữ liệu Tuy nhiên, UDP lại đơn giản và hiệu suất, nó chỉ đòi hỏi một cơ chế xử lý giao thức tối thiểu, vì vậy người dùng làm cơ sở thực hiện các giao thức cao cấp theo yêu cầu riêng của người sử dụng, mà một ví dụ tiêu biểu là giao thức SMTP (chuyển thư điện tử) Tuy nhiên khi gọi tên, người ta thường gộp TCP và UDP dưới tên chung TCP + Lớp Internet: Tương tự như lớp mạng OSI, lớp Internet có chức năng

chuyển giao dữ liệu giữa nhiều mạng liên kết với nhau Giao thức IP được sử dụng ở chính lớp này, như tên của nó Giao thức IP được thực hiện không những ở các thiết bị đầu cuối, mà còn ở các bộ router Một router chính là thiết bị xử lý giao thức dùng để liên kết 2 mạng, có chức năng chuyển giao dữ liệu từ một mạng này sang mạng khác, trong đó có cả nhiệm vụ tìm đường đi tối ưu

+ Lớp truy nhập mạng: Lớp này liên quan tới việc trao đổi dữ liệu hai

nhóm thiết bị trong cùng một mạng Các chức năng bao gồm kiểm soát truy nhập môi trường truyền dẫn, kiểm soát lỗi và lưu thông dữ liệu, giống như lớp liên kết dữ liệu trong mô hình OSI

+ Lớp vật lý: Lớp này giống như lớp vật lý trong giao thức OSI, lớp vật

lý đề cập đến giao diện vật lý giữa một thiết bị truyền dữ liệu (Ví dụ: PC, PLC, RTU ) với môi trường truyền dẫn hay mạng, trong đó có đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ truyền và cấu trúc cơ học của các phích cắm/rắc cắm.[ ]10

2.1.1.4 Quy chiếu 2 mô hình kiến trúc OSI và TCP/IP

Như vậy, đã tồn tại hai kiểu kiến trúc là kiến trúc OSI (7 lớp) và kiến trúc TCP/IP (5 lớp) cho công việc chuyển thông tin từ điểm đi đến điểm đến

Để đơn giản, ta có thể nhóm lại và phân thành 3 lớp chính: Lớp ứng dụng, lớp mạng, lớp vật lý

+ Lớp ứng dụng:

Lớp ứng dụng chỉ một tập hợp các xử lý dịch chuyển và hoạt động trên

dữ liệu cuối cùng Các xử lý này như là một phần chức năng của các phần mềm FORTRAN, “C”, hoặc các ngôn ngữ khác Trong các ngôn ngữ này, các câu lệnh hệ thống (System call) như các chức năng “Mở file”, “Đọc file” hoặc

“Tạo file” (Open/Read/ Write file) giữa bên sử dụng và hệ thống làm việc, giữa thiết bị này với thiết bị khác qua hệ thống mạng LAN trong phạm vi trạm Hoặc tương tự như việc đọc và viết dữ liệu cho nhiều thiết bị khác nằm

ở phạm vi ngoài trạm khi liên kết trong mạng diện rộng WAN

Lớp ứng dụng chọn những dịch vụ tiện ích trong tập MMS (Manufacturing Messaging Spectionfical) có khả năng đáp ứng các dịch vụ xử

lý thông báo trong môi trường tự động công nghiệp Tuy nhiên các dịch vụ đặc trưng sử dụng trong hệ thống điện chỉ là một tập con có tên CASM (Common Application Service Modul) trong MMS

Một số dịch vụ (Bên ngoài các dịch vụ đọc và viết) nhằm phục vụ mục đích liên lạc với lớp mạng ở dưới đây:

• Xác định đối tượng Get Objet Definition: Trong liên kết thông tin - Host/Client, Host phải định nghĩa được các biến dữ liệu được tải từ các IED Dịch vụ này cho phép trả lời câu hỏi “Anh là ai ?” Dịch vụ này cung cấp tự động tạo và cập nhật cho cơ sở dữ liệu của IED Host một vùng thông tin cho IED Client Dịch vụ này cũng xác định như các phần mềm trong IED (rơ le bảo vệ số, I/O…) tạo ra cho nó là tạo một vùng dữ liệu của Host trong nó, và

tự động cập nhật khi liên lạc với Host Các giao thức của mạng ISO tự động cập nhật các thiết bị mới tham gia mạng Như vậy trạm máy tính Host sẽ tự

động tạo và duy trì một bảng danh sách tất cả các đối tượng dữ liệu có trong trạm Tương tự, đặc tính này cũng có khi kết nối trong mạng WAN

• Quản lý, liệt kê các tên biến - Named Variable List: Ngày nay mỗi IED

có khả năng biểu diễn hàng trăm biến giá trị đo lường, trạng thái Các biến này có thể được biểu diễn theo định dạng có sẵn hoặc theo định dạng của mỗi nhà sản xuất, mỗi thiết bị Nhưng nhìn chung, các dạng biểu diễn giá trị thông báo thường được định dạng theo độ lớn (value) MMS cho phép dịch vụ có thể xác định giá trị dữ liệu xử lý và tên biến đã gán của dữ liệu này Ví dụ: Một bảng dữ liệu về đo công suất P(kWh) của một ngăn lộ 171 trong trạm được gửi đến Host từ Client, cần phải lựa chọn Value - giá trị P (value), Name

- tên biến (kWh) và Address tên của ngăn lộ 171 Như vậy, một bảng “Name - list” được tạo ra chỉ cho các dữ liệu khi được yêu cầu thu thập Xa hơn, qua Named Variable List Thiết bị điện tử thông minh còn có thể tạo ra các bảo vệ

dữ liệu không cho phép truy nhập Kiểu quản lý “Named Variable List” có trong các dịch vụ: dữ liệu SCADA, Power Quantity, Demand Data,

• Khai báo sự kiện tự nguyện - Unsolicitied Event Notification: Chuyển

dữ liệu về các sự kiện có lựa chọn trong trạm thực hiện dựa theo cơ chế quét

“Polling”, ví dụ như Host (Master, Client, Server) gửi một lệnh điều khiển yêu cầu chuyển dữ liệu và bảng danh sách sự kiện khi có nhu cầu Đây là kiểu gửi không tự nguyện MMS hỗ trợ kiểu tự nguyện “Unsolicitied” các sự kiện

có lựa chọn khi có thay đổi trạng thái (Ví dụ như tình trạng làm việc của rơ le, các trạng thái tác động hoặc sự cố vừa xảy ra trong HTĐ…) MMS sẽ tự động tạo một đoạn mở rộng trong dữ liệu cần truyền, hoặc tự động tạo ra ngay một

dữ liệu để truyền đi dựa trên sự thay đổi tức thời của dữ liệu đối tượng (Giá trị

dữ liệu Analog đột biến, thay đổi giá trị dữ liệu trạng thái đóng, mở …)

• Chuyển file - File Transfer: Khi có yêu cầu, MMS sẽ chuyển các file từ

một “Sever” đến “Client” đưa ra yêu cầu Một khối dữ liệu được tự động xác định và chuyển đi theo dạng gói gói (block by block), các gói dữ liệu này -

được Client xác định cấu trúc lại, “Written” đến các tổ chức xử lý của nó Nhóm dữ liệu này như: Bản ghi sự cố dạng sóng từ rơ le, bản ghi sự kiện, giá trị vận hành tuần tự, một tập các giá trị chỉnh định cho rơ le …Mỗi Client với phần mềm xử lý riêng của nó sẽ xử lý trên các dữ liệu này khi đưa ra kết quả cuối cùng đến người, địa điểm sử dụng

+ Lớp mạng:

Như đã trình bày ở trên, lớp này làm việc trên dữ liệu nhằm mục đích cho phép có thể truy nhập dữ liệu từ một IED nào đó tham gia mạng Có hai giải pháp truy nhập phân theo 2 dạng kiến trúc đã giới thiệu là TCP/IP và OSI

• TCP/IP là một giao thức có xắp xếp “Streaming protocol”: Có nghĩa là khi truyền đi một gói dữ liệu nó sẽ xắp xếp dữ liệu (Tương tự như một bức điện tín) vào một vùng đệm “Buffer” trước khi “Buffer” đó sẽ được truyền đi (trong gói dữ liệu có nhiều loại dữ liệu) Phương pháp hoạt động này có khả năng sẽ làm giảm khả năng hệ thông tin do bị chiếm đường khi chỉ cần chuyển một gói nhỏ dữ liệu Tuy nhiên, với thời gian trễ đó có thể chấp nhận được với những yêu cầu của chức năng điều khiển trạm đã xác định Ngoài ra với kiểu truyền gói, TCP/IP đã gặp vấn đề khi mạng điều khiển bị ngẽn mạch, gói dữ liệu có thể bị mất khi trong mạng có quá nhiều đối tượng cùng tham gia đường truyền Tuy nhiên tất cả những đặc điểm trên sẽ không gặp phải khi hoạt động trong hệ thống truyền dữ liệu trên hệ thời gian thực

• Kiến trúc giao thức OSI là dạng tổ chức dữ liệu đã được xác định rõ qua các lớp chuẩn nằm trong lớp mạng: Trong truyền tin, nó không đợi vùng đệm

dữ liệu “Buffer” truyền tin được lấp đầy trước khi truyền, do tất cả các lớp nằm trong Network Layer này đã hỗ trợ cho cơ sở trên “Broadcasting”- bản tin thông báo gửi đến tất cả các thiết bị trên mạng (Bus) nghe Đặc điểm này khá quan trọng trong chức năng kích hoạt thu nhập dữ liệu, đồng bộ thời gian khi gửi các thông báo điều khiển đến nhiều IED