NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT VÀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA KHOA ĐIỆN

BÁO CÁO DỰ ÁN MÔN HỌC
PROJECTS INDUSTRIAL COMMUNICATION NETWORKS
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG
SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT
VÀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN THỊ KIM TRÚC
Sinh viên thực hiện:
BÙI TRỌNG TOÀN
LÊ THANH ĐẠT
NGUYỄN HỮU HOÀNG LONG
Lớp học phần:

19Nh36

Đà Nẵng, 2022


Projects Industrial Communication Networks

GVHD: TS. Nguyễn Thị Kim Trúc

MỤC LỤC
Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÀ THAM CHIẾU THEO MÔ HÌNH
PHÂN CẤP................................................................................................................... 1

1.1. Đặt vấn đề.............................................................................................................. 1
1.1.1. Tổng quan............................................................................................................ 1
1.1.2. Các ứng dụng của SCADA trong hệ thống điện.................................................. 2
1.2. Phân tích và tham chiếu theo mơ hình phân cấp................................................ 3
1.2.1. Mơ hình phân cấp................................................................................................ 3
1.2.2. Phân tích ngun lý vận hành và các thiết bị có trong hệ thống...........................3
Chương 2: LỰA CHỌN VÀ PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP TRUYỀN THƠNG CHO
TỪNG CẤP.................................................................................................................. 5
2.1. Phương án lựa chọn của nhóm............................................................................. 5
2.2. Giao thức IEC61850............................................................................................. 5
2.2.1. Tổng quan............................................................................................................ 5
2.2.2. Đặc điểm và cơ sở kỹ thuật.................................................................................. 5
2.3. Giao thức IEC60870-5-104................................................................................... 8
2.3.1. Tổng quan............................................................................................................ 8
2.3.2. Đặc điểm và cơ sở kỹ thuật.................................................................................. 8
2.3.3. Thiết lập, kết nối và cài đặt.................................................................................. 9
2.4. Giao thức IEC60870-5-103................................................................................. 10
2.4.1. Tổng quan.......................................................................................................... 10
2.4.2. Đặc điểm và cơ sở kỹ thuật................................................................................ 10
2.4.3. Thiết lập, kết nối và cài đặt................................................................................ 11
2.5. Giao thức Modbus TCP/IP................................................................................. 11
2.5.1. Tổng quan.......................................................................................................... 11
2.5.2. Đặc điểm và cơ sở kỹ thuật................................................................................ 11
i


Projects Industrial Communication Networks

GVHD: TS. Nguyễn Thị Kim Trúc

2.5.3. Thiết lập, kết nối và cài đặt................................................................................ 12
Chương 3: XÂY DỰNG CHI TIẾT HỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN THÔNG.....13
3.1. Lựa chọn các thiết bị và nhà cung cấp.............................................................. 13
3.2. Giải pháp về phần mềm...................................................................................... 13
3.2.1. Cơng cụ lập trình điều khiển HMI..................................................................... 14
3.2.2. Cơng cụ trích xuất dữ liệu.................................................................................. 14
3.2.3. Phần mềm cấu hình rơ le.................................................................................... 14
3.3. Kết nối và cài đặt các thiết bị............................................................................. 14
3.3.1. Mức điều khiển trạm (Station level)................................................................... 15
3.3.2. Mức ngăn (Bay level)........................................................................................ 16
3.3.3. Mức thiết bị (Process level)............................................................................... 17

ii


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU VÀ SƠ ĐỒ
Hình 1.1 – Ảnh minh họa các thiết bị được sử dụng trong tủ điện.................................1
Hình 1.2 – Mơ hình phân cấp của hệ thống SCADA..................................................... 3
Hình 2.1 – Mơ hình hóa dữ liệu IEC61850.................................................................... 6
Hình 2.2 – Mơ hình sự cố dùng GOOSE....................................................................... 7
Hình 2.3 – Dịch vụ truyền thơng IEC61850.................................................................. 7
Hình 2.4 – Sơ đồ truyền thơng đơn giản với giao thức IEC104..................................... 9
Hình 2.5 – Ví dụ về cấu trúc giao tiếp theo tiêu chuẩn IEC103...................................11
Hình 2.6 – Ví dụ về Modbus TCP/IP Message............................................................ 12
Hình 3.1 – Trình tự thực hiện thu thập và quản lý dữ liệu...........................................13
Hình 3.2 – Sơ đồ kết nối hệ thống............................................................................... 15
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Bảng 2.1 – Phương án lựa chọn của nhóm về giao thức truyền thơng...........................5
Bảng 2.2 – Mơ hình OSI của giao thức IEC60870-5-104.............................................. 9
Bảng 2.3 – Các thông số của giao thức IEC60870-5-104.............................................. 9

Bảng 2.4 – Đặc điểm và cơ sở kỹ thuật của giao thức IEC60870-5-103......................10
Bảng 3.1 – Bảng lựa chọn các rơ le có trong hệ thống................................................. 13
Bảng 3.2 – Bảng lựa chọn các máy tính trong hệ thống............................................... 16


Projects Industrial Communication Networks

GVHD: TS. Nguyễn Thị Kim Trúc

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÀ THAM CHIẾU THEO MƠ
HÌNH PHÂN CẤP

1.1. Đặt vấn đề
1.1.1. Tổng quan
Trong những năm đầu khi hệ thống điện bắt đầu phát triển, các nhà máy phát điện
chỉ gắn với các phụ tải địa phương tương ứng. Nếu bất cứ điều gì khơng thành cơng trong
tồn bộ hệ thống được kết nối tuyến tính, có thể bao gồm các hệ thống phụ như nhà máy
phát điện, đường dây điện, kết nối, thì đèn sẽ tắt. Khách hàng vẫn chưa thích nghi với
việc phụ thuộc vào điện. Sự cố mất điện, dù là thường lệ hay khẩn cấp, được coi như một
lẽ tất nhiên. Khi sự phụ thuộc vào điện ngày càng tăng, thì nhu cầu tìm cách cải thiện độ
tin cậy cũng tăng lên. [1]

Hình 1.1 – Ảnh minh họa các thiết bị được sử dụng trong tủ điện
Các trạm phát điện và đường dây điện đã được kết nối với nhau để cung cấp dự
phòng. Khi hệ thống mở rộng và bắt đầu mở rộng quy mơ, nó trở nên khó quản lý hơn.
Cần có các giải pháp để đối mặt với những thách thức trong việc điều khiển thiết bị trên
một khoảng cách xa. Để khắc phục điều này, nhân viên vận hành thường bố trí tại các
điểm quan trọng trong hệ thống lưới điện này để có thể theo dõi và nhanh chóng ứng phó
với mọi sự cố có thể phát sinh do sự cố, hỏng hóc. Họ sẽ liên lạc với nhân viên điều độ
điện lực trung tâm, thường sử dụng điện thoại, để thơng báo cho họ về tình trạng của hệ

thống.

1


Nhiều tầng sản xuất, công trường từ xa và nhà máy công nghiệp dựa vào nhân viên
để giám sát thiết bị và điều khiển bằng tay thông qua các nút nhấn cơ học và quay số
tương tự. Khi nhu cầu về điện đáng tin cậy ngày càng tăng và do lao động trở thành một
phần đáng kể trong chi phí cung cấp điện, các công nghệ như SCADA đã được phát triển
cho phép giám sát và điều khiển từ xa các thơng số chính của hệ thống.
1.1.2. Các ứng dụng của SCADA trong hệ thống điện
1.1.2.1. Ứng dụng SCADA cho các trạm phát điện
-

Giám sát liên tục tốc độ và tần số của máy điện
Lập kế hoạch vận hành phát điện
Kiểm sốt cơng suất phản kháng và hoạt động
Lên lịch tải
Xử lý dữ liệu lịch sử của tất cả các tham số liên quan đến thế hệ
Giám sát trạng thái của cầu dao, rơ le bảo vệ và các thiết bị an toàn khác
Máy theo dõi sức khỏe bộ máy nguồn
Trình tự ghi lại các sự kiện

1.1.2.2. Ứng dụng SCADA cho hệ thống truyền tải điện
-

Dịch vụ định tuyến lại để bảo trì trạm
Giao diện / tương tác rơle bảo vệ
Quản lý điều chỉnh điện áp
Tải điều khiển bộ thay đổi vịi

Quản lý máy biến áp
Mơ hình thời gian thực
Điều khiển cách ly mạch tự động và màn hình điều khiển cơng tắc tương tác
Giao diện hiển thị một dịng thời gian thực

1.1.2.3. Ứng dụng SCADA cho hệ thống phân phối điện
-

Hạn chế nhu cầu điện năng cao điểm
Tạo xu hướng và báo động cho các nhà khai thác bằng cách xác định vị trí vấn đề
Dữ liệu lịch sử và xem dữ liệu đó từ các vị trí từ xa và hầu như không thể tiếp
cận được
Phản hồi nhanh chóng khi dịch vụ khách hàng bị gián đoạn
Tự động hóa bộ nạp và Bộ phân đoạn tải
Cung cấp khả năng điều khiển tự động vượt mức của các tụ điện
Đọc đồng hồ tự động
Điều khiển ngắt mạch, khóa và khóa liên động


1.2. Phân tích và tham chiếu theo mơ hình phân cấp
1.2.1. Mơ hình phân cấp

Hình 1.2 – Mơ hình phân cấp của hệ thống SCADA
1.2.2. Phân tích nguyên lý vận hành và các thiết bị có trong hệ thống
1.2.2.1. Station level
Máy tính chủ (SERVER): Thu thập, lưu trữ và xử lý thông tin từ các IED. Dữ liệu
được lưu trữ dựa trên hệ cơ sở dữ liệu MS SQL. Máy tính chủ tích hợp chức năng lưu trữ
dữ liệu quá khứ (HIS) và các cổng truyền thông SCADA (GATEWAY).

Máy tính điều khiển (HMI Computer) làm các nhiệm vụ như sau: Điều khiển các
thiết bị nhất thứ trong trạm; Hiển thị các thông số đo lường xuất tuyến và thông số MBA;
Giám sát trạng thái kết nối, trạng thái thiết bị nhất thứ và nhị thứ; Cảnh báo các tình trạng
bất thường, tín hiệu sự cố; Xuất báo cáo thơng số vận hành, thơng tin cảnh báo; Tìm
kiếm thơng tin sự cố trong quá khứ.
Máy tính kỹ thuật (Engineering Computer) làm nhiệm vụ: Cài đặt rơle bằng các
phần mềm cài đặt rơle, đọc các bản ghi sự cố; Cấu hình Dataset cho các IED; Thiết lập
liên động GOOSE cho các thiết bị.
1.2.2.2. Bay level
Như mơ hình phân cấp đã thể hiện, hệ thống mạng kết nối là mạng LAN đơn, các
Bay Switch trong trạm được kết nối với Ethernet Switch theo mơ hình hình sao.
Các thiết bị điện thơng minh (IDE - Intelligent Electronic Device) như rơ le bảo vệ
quá dòng, rơle bảo vệ đường dây, rơle bảo vệ MBA, rơle bảo vệ xuất tuyến với những
nhiệm vụ bảo vệ chuyên biệt. Ứng dụng nhiều công nghệ hiện đại nhằm tăng cường khả
năng đo chính xác và ít thiết bị phụ trợ hơn
Bộ điều khiển mức ngăn (Bay Control Unit - BCU) có khả năng thể hiện đầy đủ các
thơng tin của ngăn lộ đó và đồng thời là nơi truyền đi các tín hiệu điều khiển tới các thiết
bị, được hỗ trợ đầy đủ giao thức truyền thông IEC61850 ứng dụng cho tự động hóa trạm/
trạm điều khiển máy tính
1.2.2.3. Process level
Các thiết bị nhất thứ trong hệ thống có thể được kể đến như: Dao cách ly, máy cắt,
TI, TU,… làm nhiệm vụ vận hành trạm biến áp, có thể nhận tín hiệu từ các thiết bị điều
khiển


Chương 2: LỰA CHỌN VÀ PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP TRUYỀN THƠNG
CHO TỪNG CẤP

2.1. Phương án lựa chọn của nhóm
Bảng 2.1 – Phương án lựa chọn của nhóm về giao thức truyền thông

Cấp truyền thông

Giao thức

Station level

IEC61850 + IEC60870-5-104

Bay level

IEC61850 + IEC60870-5-103 + Modbus TCP/IP

Process level
2.2. Giao thức IEC61850
2.2.1. Tổng quan
IEC 61850 là tiêu chuẩn quốc tế mới dựa trên Ethernet và đã trở thành tiêu chuẩn
truyền thông trong các cơ sở phát điện và trạm biến áp. Mục tiêu của tiêu chuẩn IEC
61850 là tích hợp tất cả các chức năng bảo vệ, điều khiển, đo lường và giám sát trong
một trạm biến áp và cung cấp các phương tiện cho các ứng dụng bảo vệ trạm biến áp tốc
độ cao, lồng vào nhau và xen kẽ.
2.2.2. Đặc điểm và cơ sở kỹ thuật
Đối tượng chính của tiêu chuẩn IEC61850 là thiết kế hệ thống thơng tin có khả năng
cung cấp sự tương đồng giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau, để phối hợp thực
hiện cùng một chức năng. Trên cơ sở đó, mơ hình dữ liệu đối tượng của tiêu chuẩn sẽ
chia các chức năng của trạm thành những chức năng con, những chức năng con này được
định nghĩa là các node logic (Logical Nodes –LNs), các thông tin chủ yếu được trao đổi
trên các LNs.
2.2.2.1. Mơ hình hóa dữ liệu
Các q trình xử lý chính cũng như chức năng kiểm sốt và bảo vệ trong trạm biến
áp được mơ hình hóa thành các node logical tiêu chuẩn mà được nhóm lại dưới các thiết

bị logical khác nhau. Có node logical cho dữ liệu/chức năng liên quan đến các thiết bị
logic (LD) và thiết bị vật lý (PD).
Phân tích thiết bị vật lý thành các thiết bị logic: thiết bị logic chứa điểm truy cập
truyền thông của các IED và các dịch vụ truyền thông liên quan. Thiết bị logic có thể có


chế độ làm việc riêng và độc lập về ứng xử với các thiết bị logic khác trong một thiết bị
vật lý. Các thiết bị logic cung cấp thông tin về các thiết bị vật lý mà chúng sử dụng như
vật chứa hoặc về các thiết bị bên ngoài được điều khiển bởi thiết bị logic. Khái niệm mơ
hình hóa thiết bị lơgic giúp mơ hình hóa các IED đa chức năng, các IED dạng cổng hoặc
các IED dạng mô đun. Nó cũng cho phép quy định kỹ thuật để cho một hệ thống tự động
hóa hệ thống điện mà không cần phải xác định bất kỳ giải pháp sản phẩm với các thiết bị
vật lý.
Phân tích các thiết bị logic thành các nút logic, đối tượng dữ liệu: để phân chia các
chức năng ứng dụng thành các đối tượng nhỏ nhất được sử dụng để trao đổi thông tin,
mức độ chi tiết được đưa ra bởi phân bổ phân phối hợp lý của các đối tượng này đối với
các thiết bị dành riêng (IED). Các đối tượng này được gọi là các Nút logic (ví dụ, thể
hiện ảo của một lớp máy cắt, với tên lớp chuẩn XCBR). Các ví dụ khác có thể là chức
năng bảo vệ khoảng cách, PDIS hoặc một giá trị đo, MMXU.

Hình 2.1 – Mơ hình hóa dữ liệu IEC61850
2.2.2.2. Cấu trúc
Chức năng có thể được gán cho ba cấp: cấp trạm (Station level), cấp ngăn lộ (Bay
level) và cấp quá trình (Process level).
Thiết bị cấp quá trình thường là các I/O từ xa, cảm biến thông minh và bộ tác động.
Thiết bị cấp ngăn lộ bao gồm các bộ điều khiển, bảo vệ hoặc theo dõi mỗi ngăn lộ.
Thiết bị cấp trạm bao gồm máy tính trạm cùng với cơ sở dữ liệu, nơi làm việc của
nhà điều hành, giao diện truyền thông từ xa, v.v.

2.2.2.3. Thực hiện truyền thơng
-

MMS: mơ hình dịch vụ truyền thông dạng client – server
GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event): truyền đa điểm analog,
digital, phân phối dữ liệu trên toàn hệ thống nhanh và đáng tin cậy, dựa trên mơ
hình phát hành/thuê bao

Đối với phương pháp truyền thống sử dụng máy cắt khi có sự cố là cắt thơng qua
một tiếp điểm, còn đối với phương pháp theo tiêu chuẩn IEC thì sẽ được thay thế bằng
tin nhắn GOOSE gởi qua Ethernet trên các sợi cáp quang. Tin nhắn GOOSE là sự trao
đổi thông tin giữa các rơle và các thiết bị bảo vệ khác trong trạm.

Hình 2.2 – Mơ hình sự cố dùng GOOSE
-

SAV: mơ hình lấy giá trị mẫu đối với các giá trị đo truyền đa điểmi thực hiện
nhanh và truyền tải tuần toàn cho các giá trị đo lường từ các thiết bị cảm biến đo
lường như biến dịng (CT) và biến áp (VT)

Hình 2.3 – Dịch vụ truyền thông IEC61850


2.2.2.4. Ngơn ngữ hệ thống
Để có thể trao đổi mơ tả thiết bị và tham số hệ thống giữa các công cụ của các nhà
chế tạo khác nhau theo cách tương thích, IEC 61850 đã định nghĩa ngơn ngữ mơ tả cấu
hình hệ thống (SCL), cho phép sử dụng nhiều công cụ khác nhau của nhiều nhà sản xuất
để biên dịch và hiểu các thông tin được chứa đựng trong bất kỳ IEDs. Điều này giúp quá
trình trao đổi dữ liệu giữa các IEDs sẽ tránh được tình trạng khơng hiểu nhau, thuận lợi
trong việc tích hợp hệ thống từ nhiều nhà sản xuất.

2.3. Giao thức IEC60870-5-104
2.3.1. Tổng quan
Bộ tiêu chuẩn IEC60870-5 chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp điện, nó
mơ tả đầy đủ các chức năng chi tiết cho thiết bị điều khiển xa và hệ thống điều khiển vận
hành trên phạm vi rộng (hệ thống Scada). Gồm 2 phương thức truyền dữ liệu khác nhau
nhưng giao thức truyền thông tương tự nhau.
IEC 60870-5-101: [IEC 101] là một tiêu chuẩn cho hệ thống giám sát, điều khiển,
thông tin liên lạc cho việc điều khiển xa, bảo vệ xa và viễn thông cho các hệ thống điện.
Tiêu chuẩn này phù hợp cho các cấu hình phức tạp như điểm nối điểm, hình sao, đa
điểm, …
IEC 60870-5-104: [IEC 104] là giao thức mở rộng của giao thức IEC 101 với một số
thay đổi trong chuyển tải, hệ thống kết nối, liên kết và các dịch vụ lớp vật lý để hoàn toàn
phù hợp truy cập mạng. Tiêu chuẩn này sử dụng một giao tiếp TCP/IP mở để kết nối hệ
thống với mạng LAN và các router với điều kiện thuận lợi khác có thể được sử dụng để
kết nối với WAN. Dùng chủ yếu trong lĩnh vực hệ thống điện, truyền thông SCADA từ
các nhà máy thuỷ điện, điện gió, TBA… về trung tâm điều độ.
2.3.2. Đặc điểm và cơ sở kỹ thuật
IEC104 sử dụng mơ hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở (Open Systems
Interconnection Reference Model - OSI) với 5 lớp. Giao thức này được mở rộng từ
IEC101 với những thay đổi trong lớp vật lý và lớp liên kết, lớp truyền dẫn và lớp mạng
để phù hợp với giao tiếp Ethernet. Điều đó, cho phép truyền dữ liệu đồng thời giữa nhiều
thiết bị và dịch vụ.


Bảng 2.2 – Mơ hình OSI của giao thức IEC60870-5-104
Layer

Sourse

Seletions

Ứng dụng

IEC101

ASDUs và phần tử thông tin

Truyền dẫn
Mạng
TCP/IP và chuẩn truyền thông mạng

Liên kết
Vật lý

Việc kết nối đến mạng LAN và Router với các thiết bị khác hoặc mạng diện rộng
WAN dựa trên hạ tầng có sẵn, nên sẽ tiết kiệm chi phí đầu tư và khơng cần xây dựng hạ
tầng thông tin riêng biệt hoặc dễ dàng thuê kênh FE (Fast Ethernet) của các nhà cung cấp
dịch vụ khác với chi phí có thể chấp nhận.
2.3.3. Thiết lập, kết nối và cài đặt
Đối với giao thức IEC104 có nhiều thơng số chính nhưng tập trung vào đó là 4 thơng
số: địa chỉ IP, địa chỉ ASDU, địa chỉ IOA, Port
Bảng 2.3 – Các thông số của giao thức IEC60870-5-104

Địa chỉ IP

Các giao thức truyền thông dựa trên nền tảng Enthernet được định
danh với nhau bằng địa chỉ IP và địa chỉ IP trong giao thức này sẽ
là phần định danh chính

Địa chỉ ASDU

Được gọi là phần định danh phụ vì giao thức IEC104 phát triển
dựa trên nền tản IEC101 (các thiết bị truyền thông với nhau thông
qua RS485 và chưa có IP nên ASDU là phần định danh chính
trong IEC101)

Địa chỉ IOA

là địa chỉ chứa dữ liệu và được phân thành các loại khác nhau.

Port Number

2404 (defaut)

Hình 2.4 – Sơ đồ truyền thông đơn giản với giao thức IEC104


Sơ đồ gồm có 1 thiết bị điện tử thơng minh IED làm slave và một phần mềm
SCADA làm master. Để kết nối với thiết bị IED chỉ cần nhập địa chỉ IP và ASDU vào
phần mềm ZENON. Tương tự với trường hợp thiết bị IED hỗ trợ truyền thông nhiều
kênh master IEC104.
2.4. Giao thức IEC60870-5-103
2.4.1. Tổng quan
IEC 60870-5-103 [IEC 103] là một tiêu chuẩn cho hệ thống điều khiển và thông tin
liên lạc của thiết bị bảo vệ. Tiêu chuẩn này hỗ trợ một số đặc tính chức năng bảo vệ và
cung cấp một số công cụ để hợp nhất các chức năng bảo vệ vào dãy dữ liệu riêng. Mặc
dù tiêu chuẩn chính thức của IEC 60870-5-103 có từ năm 1997, giao thức này bắt nguồn
từ giao thức truyền thông VDEW6 từ cuối những năm 1980. Thiết bị VDEW6 có thể
được coi là một tập hợp con của thiết bị IEC 60870-5-103 chứ không phải ngược lại. IEC
60870-5-103 xác định giao tiếp chỉ dành cho liên kết nối tiếp, không cân bằng. Tốc độ

truyền thông được định nghĩa là 9600 hoặc 19200 baud.
2.4.2. Đặc điểm và cơ sở kỹ thuật
Bảng 2.4 – Đặc điểm và cơ sở kỹ thuật của giao thức IEC60870-5-103
Physical Layer

PCM, half-duplex

Link Layer

Party line, point to point
Truyền theo yêu cầu (chỉ báo kép, tương tự, ...)

Ứng dụng

Truyền tự phát (chỉ báo kép với thẻ thời gian, ...)
Thực thi lệnh
Đồng bộ hóa đồng hồ
Link address: 0..255

Địa chỉ

Common Address of ASDU: 1..255
Function Type: 0..253
Information number: 0..255


2.4.3. Thiết lập, kết nối và cài đặt

Hình 2.5 – Ví dụ về cấu trúc giao tiếp theo tiêu chuẩn IEC103
Giao thức truyền thông IEC103 chủ yếu được sử dụng khi IED bảo vệ giao tiếp với

hệ thống giám sát hoặc điều khiển của bên thứ ba. Hệ thống này phải có phần mềm có
thể diễn giải các thơng báo liên lạc theo tiêu chuẩn IEC 60870-5-103. Khi liên lạc cục bộ
trong trạm bằng máy tính Cá nhân (PC) hoặc thiết bị đầu cuối Từ xa (RTU) được kết nối
với mô-đun Xử lý và Truyền thông, phần cứng duy nhất cần có là cáp quang và bộ
chuyển đổi quang/điện cho PC/RTU hoặc một kết nối RS-485 tùy thuộc vào giao diện
truyền thông IED được sử dụng.
2.5. Giao thức Modbus TCP/IP
2.5.1. Tổng quan
Modbus TCP là Modbus qua Ethernet (RJ45). Với Modbus TCP, dữ liệu Modbus
được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP. Nói một cách đơn giản, đây như là một
thơng điệp của Modbus RTU được truyền bằng trình bao bọc TCP/IP và được gửi qua
mạng thay vì các đường nối tiếp. Máy chủ khơng có SlaveID vì nó sử dụng địa chỉ IP.
2.5.2. Đặc điểm và cơ sở kỹ thuật
-

Cấu trúc mạng theo kiểu bus thẳng
Phương pháp truy cập mạng: Master – Slaver
Khi so sánh với Modbus RTU, Modbus TCP được hình thành với một tiêu đề 7
byte mới được gọi là MBAP Header (Modbus Application Header) được thêm vào
đầu thư. Tiêu đề này có dữ liệu sau:


� Mã định danh (Transaction ID): 2 byte do Client đặt để nhận dạng từng yêu cầu
duy nhất. Các byte này được lặp lại bởi Server vì các phản hồi của nó có thể
khơng được nhận theo thứ tự như các yêu cầu.
� Định dạng giao thức (Protocol ID): 2 byte do Client đặt, luôn luôn = 00 00
� Độ dài (Length): 2 byte xác định số byte trong thông điệp cần theo dõi.
� Định dạng đơn vị (UnitlD): 1 byte được đặt bởi Client và được Server lặp lại để
xác định một Slave từ xa được kết nối trên đường truyền nối tiếp hoặc trên các
bus khác.

Hình 2.6 – Ví dụ về Modbus TCP/IP Message
2.5.3. Thiết lập, kết nối và cài đặt
Như đã đề cập ở trên, cũng như các loại modbus khác, Modbus TCP/IP cũng sử dụng
mơ hình Master-Slave để truyền thông. Tuy nhiên, được triển khai trên nền Ethernet, sử
dụng bộ giao thức TCP trên nền IP.
Modbus TCP làm cho định nghĩa Master-Slave truyền thống thay đổi. Vì Ethernet
cho phép giao tiếp ngang hàng. Trong mạng TCP, các Slave có thể chủ động truyền thơng
tin về các thiết bị quản lý trung tâm – Master. Sử dụng địa chỉ IP trên các Master để quản
lý tập trung từ phần mềm.
Vì được truyền trên nền TCP/IP nên tốc độ truyền của Modbus TCP/IP cao, đáp ứng
realtime. Cao hơn hẳn Modbus RTU. Tuy nhiên vẫn có thể kết hợp modbus TCP/IP với
modbus RTU (Được gọi là Hybird Modbus)
Modbus RTU sử dụng RS485, RS232. Modbus TCP sử dụng trên nền Ethernet. Nên
muốn kết hợp được 2 loại modbus này cần tìm một thiết bị có hỗ trợ 2 cổng kết nối này.
Điều này bạn sẽ rất có lợi khi mở rộng quy mô sản xuất, số lượng thiết bị. [2]


Chương 3: XÂY DỰNG CHI TIẾT HỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN
THÔNG

3.1. Lựa chọn các thiết bị và nhà cung cấp
Bảng 3.1 – Bảng lựa chọn các rơ le có trong hệ thống
STT Tên thiết bị

Hãng sản xuất

Giao thức

1

Rơle SEL421

SEL

IEC 61850

2

Rơle MiCOM P132

ALSTOM

IEC 61850

3

Rơle REF615

ABB

IEC 61850

4

Rơle 7UT61

SIEMENS

IEC 61870-5-103

5

Rơle 7SJ61

SIEMENS

IEC 61870-5-103

6

Rơle MiCOM P123

ALSTOM

Modbus

7

Thiết bị đo lường PM710

SCHNEIDER

Modbus

3.2. Giải pháp về phần mềm
Giải pháp tích hợp nhiều chủng loại thiết bị và nhiều giao thức truyền thông vào
chung một hệ thống điều khiển tự động theo tiêu chuẩn IEC 61850 được thực hiện bằng
các công cụ OPC Server kết hợp với các công cụ thiết lập giao diện điều khiển HMI.

Hình 3.1 – Trình tự thực hiện thu thập và quản lý dữ liệu


3.2.1. Cơng cụ lập trình điều khiển HMI
Cơng cụ WinCC được sử dụng để xây dựng giao diện HMI để điều khiển trạm bằng
hệ thống máy tính, phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu trong hệ thống tự động hóa.
Phần mềm điều khiển tích hợp được xây dựng chạy trên các hệ điều hành Windows
Server 2008/ Windows 7 với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển, giám sát.
WinCC sử dụng các hệ quản trị cơ sở dữ liệu mở ODBC/SQLvà có thể dễ dàng truy
cập tới cơ sở dữ liệu của hệ thống bằng ngôn ngữ SQL hoặc ODBC. Hỗ trợ ngơn ngữ lập
trình chuẩn ANSI-C và VBScripts để lập trình sự kiện.
3.2.2. Cơng cụ trích xuất dữ liệu
3.2.2.1. Cơng cụ matrikon OPC Server
Sử dụng cơng cụ này để trích xuất dữ liệu với các IED có giao thức IEC 61850 như
SEL421, MiCOM P123, REF615.
3.2.2.2. Công cụ Triangle MicroWorks SCADA Gateway
Sử dụng các module của SDG để trích xuất dữ liệu:
-

Protocol driver IEC 60870-5-103 Master cho kết nối các thiết bị hỗ trợ giao
thức IEC 60870-5-103 (7UT61, 7SJ61).
Protocol driver IEC 60870-5-101/104 Slave cho kết nối đến trung tâm điều
khiển (SCADA computer).
Protocol driver Modbus Master cho kết nối các thiết bị hỗ trợ giao thức
Modbus (MiCOM P123).

3.2.3. Phần mềm cấu hình rơ le
-

DIGSI 4.87:cấu hình và cài đặt thông số cho rơle 7UT61, 7SJ61.

PCM 600 V2.5: cấu hình và cài đặt thơng số cho rơle REF615.
MICOM S1 Agile: cấu hình và cài đặt thơng số cho rơle MiCOM P123
SEL Quickset: cấu hình và cài đặt thơng số cho rơle SEL421.

3.3. Kết nối và cài đặt các thiết bị
Hệ thống mạng toàn trạm: theo giao thức IEC61850, mạng LAN đơn, hình tia. Các
thiết bị có chuẩn giao tiếp IEC 61850, IEC 60870-5-103, Modbus, được nối với Station
Bus thông qua Switch như sau:


Hình 3.2 – Sơ đồ kết nối hệ thống
3.3.1. Mức điều khiển trạm (Station level)
Hệ thống GPS dùng để đồng bộ thời gian cho các thiết bị trong toàn hệ thống với thời
gian từ hệ thống GPS. Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) phân
phối khắp thế giới về sự chính xác của thời gian, vị trí và tần số.
Server nhận được tín hiệu từ GPS để điều chỉnh đồng hồ nội bộ riêng của mình và có
một hệ thống tham chiếu thời gian cho máy tính và rơ le khác trong mạng.
→ Sử dụng GPS ăng ten và bộ nhận tín hiệu Hopf FG4490G10 GPS
Máy in Lazer phục vụ cho việc in ấn các bản báo cáo thông tin của hệ thống.
Hệ thống cáp mạng (RJ45, cáp quang) kết nối các thiết bị trong hệ thống phục vụ
cho việc trao đổi thơng tin.
Máy tính vận hành với 2 màn hình hiển thị dùng để giám sát, điều khiển hệ thống;
truyền lệnh điều khiển; thiết lập chế độ làm việc; phân tích dữ liệu,...
Máy tính kỹ thuật được trang bị để phục vụ cho cài đặt các tham số thiết bị, cấu hình
hệ thống, in ấn, biên soạn, …


Bảng 3.2 – Bảng lựa chọn các máy tính trong hệ thống
STT

Tên thiết bị

Chủng loại

Hệ điều
hành

1

Máy tính
Fullserver

ACP-4320 được sản xuất bởi Advantech;
CPU: Intel (R) Core(TM) i5-3240 CPU
@3,4 GHz Ram: 4 GB, HDD: 80GB

Windows 7
Professional

CPU: Intel (R) Core(TM) i3- 3240 CPU
@3,4 GHz Ram: 4 GB, HDD: 80GB

Windows 7
Professional

(HMI 2)

CPU: Intel (R) Core(TM) i3- 3240 CPU
@3,4 GHz Ram: 4 GB, HDD: 80GB

Windows 7
Professional

Máy tính 3
(ENGINEERING)

CPU: Intel (R) Core(TM) i3- 3240 CPU
@3,4 GHz Ram: 4 GB, HDD: 80GB

Windows 7
Professional

2

3

4

Máy tính 1
(HMI 1)
Máy tính 2

Chức năng thiết bị trong hệ thống điều khiển:
+ Máy tính 1 (SYS1,2,SCADA/ Full Server): Kiết nối tồn bộ các thiết bị hệ thống.
Thiết bị Scada, gateway thu thập, xử lý và trao đổi thông tin với các thiết bị thông minh
(IED). Phục vụ kết nối với hệ thống SCADA của các Trung tâm Điều độ.
+ Máy tính 2,3 (HMI): Hai máy tính chủ HMI hoạt động song song với nhau và
được tích hợp phần mềm giao diện người máy để điều khiển, đọc các thông số đo lường,
chỉ thị trạng thái thiết bị và các thông tin cảnh báo về thiết bị, lấy dữ liệu từ máy
Fullserver1, Fullserver2 …

+ Máy tính 4 (HIS Server): Máy chủ lưu trữ dữ liệu và trạng thái vận hành của thiết
bị trạm trong quá khứ.
Bộ chuyển đổi mạng RSG2100NC sản xuất bởi Ruggedcom hỗ trợ IEC 61850; cổng
giao diện điện và quang học. Kết nối này đảm bảo dự phòng của hệ thống mạng. Tất cả
các trang thiết bị kỹ thuật số và hiện có với chuẩn IEC61850 được kết nối trực tiếp đến
chuyển đổi mạng (network switch)
3.3.2. Mức ngăn (Bay level)
Hệ thống mạng kết nối là mạng LAN đơn, các Bay Switch trong trạm được kết nối
với Ethernet Switch theo mơ hình hình sao.


Ngăn lộ 110kV được trang bị các Rơle bảo vệ (01 chính và 01 dự phịng) và 01 BCU
để thu thập tồn bộ tín hiệu điều khiển, đo lường, bảo vệ của ngăn lộ.
Ngăn lộ trung thế (35, 22, 15kV) được trang bị các Rơle tích hợp chức năng BCU, có
chức năng điều khiển liên động và thu thập, xử lý các tín hiệu số (đo lường, trạng thái,
điều khiển).
Đồng hồ đo lường đa chức năng (Multimeter): trang bị tại các ngăn lộ 110kV và ngăn
lộ trung thế để thu thập các thống số vận hành như: U, I, P, Q, F, Wh ,hệ số công suất,...
Những thông số vận hành phải được đo và hiển thị cho tất cả các pha. Các đồng hồ này
kết nối với thiết bị đầu cuối RTU thông qua giao thức IEC 61850 hoặc Modbus (theo
chuẩn RS485/LAN).
Các Rơ le sử dụng giao thức truyền thông IEC 103 giao tiếp với hệ thống giám sát,
điều khiển thông qua kết nối RS232/RS485 hoặc cáp quang và bộ chuyển đổi điện quang
(LAN)
3.3.3. Mức thiết bị (Process level)
Việc điều khiển, giám sát tại thiết bị thực hiện thông qua các khóa điều khiển, nút
bấm, dụng cụ đo lắp đặt tại thiết bị đóng cắt (máy cắt, dao cách ly...). Các thiết bị được
kết nối thông qua cáp đồng đáp ứng dữ liệu và thực thi yêu cầu đóng/cắt của BCU.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] "Ứng dụng SCADA trong hệ thống điều khiển điện năng trong nhà máy sản xuất,"
Giải Pháp Tự Động Hóa, [Online]. Available: [Accessed 21
Aug 2021].
[2] "Modbus TCP/IP Là Gì? - Truyền Thơng Modbus Trong Hệ Thống SCADA," 13
March 2021. [Online]. Available: />[3] "Điện Tử Việt Nam," 06 Dec 2005. [Online]. Available: />[4] "Tự động hoá trạm biến áp trên nền tảng giao thức truyền thông IEC 61850," 16
Jul 2013. [Online]. Available: />[5] L. T. Dũng, "Ứng dụng cho giải pháp tự động hoá trạm biến áp," 05 Sep 2022.
[Online].
[6] "Modbus là gì? Giao thức truyền thơng Modbus RTU, TCP, ASCII," 15 Dec 2020.
[Online]. Available: />[7] "DNP3 là gì? Tổng quan về giao thức DNP3," 13 Apr 2021. [Online]. Available:
/>[8] "IEC
60870-5-103,"
[Online].
/>
Available:

[9] L. Đ. T. VŨ PHAN HUẤN, "THỬ NGHIỆM GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG
IEC 60870-5-101/104 DÙNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM
BIẾN ÁP," 2018.