Nghiên cứu giao thức truyền thông IEC 61850 trong trạm biến áp

1




PHẦN MỞ ĐẦU

1.1. Lý do chọn đề tài.
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của công nghệ trong lĩnh vực thiết bị
điện - điện tử, với sự xuất hiện của những rơle kỹ thuật số cùng với những tính năng
vược trội đã thay thế dần các rơle cơ truyền thống trong hệ thống điện. Một hệ
thống trạm sử dụng rơle kỹ thuật số sẽ linh hoạt hơn, đảm nhiệm được nhiều chức
năng hơn. Với xu hướng toàn cầu hóa thì hội nhập là vấn đề cấp thiết với mỗi quốc
gia. Qua đó, việc một trạm biến áp sử dụng thiết bị gồm nhiều chuẩn loại từ nhiều
nhà cung cấp khác nhau là rất phổ biến. Từ đó, một vấn đề đặt ra là sự kết nối giữa
các thiết bị trong trạm hoặc cần có một giao thức dùng chung có thể áp dụng cho tất
cả các thiết bị từ những nhà cung cấp khác nhau để giao tiếp, trao đổi dữ liệu được
với nhau trong trạm biến áp.
Sự ra đời của tiêu chuẩn IEC 61850 dựa trên những mục tiêu của cấu trúc truyền
thông tiện ích UCA, đã tạo nên bước đột phá trong công nghệ trạm biến áp. Từ khi
áp dụng tiêu chuẩn IEC 61850 thì việc kết nối, trao đổi dữ liệu giữa những thiết bị
từ nhiều nhà cung cấp trở nên dễ dàng hơn và hạn chế được giao thức độc quyền.
Từ đó, tiêu chuẩn IEC 61850 được chọn làm tiêu chuẩn trong tự động hóa trạm.
Sau quá trình nghiên cứu, phân tích những ứng dụng từ tiêu chuẩn IEC 61850
trong trạm biến áp dựa trên những mô hình ứng dụng, trao đổi thông tin, tìm hiểu về
giao thức hay việc sử dụng ngôn ngữ SCL trong cấu hình trạm. Từ những phân tích
tiêu chuẩn IEC 61850 đề tài được chọn có tên: “Nghiên cứu giao thức truyền
thông IEC 61850 trong trạm biến áp’’.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài.
Một giao thức có thể cấu hình được cho các thiết bị từ nhiều hãng khác nhau là
vấn đề đang được tập đoàn Điện Lực Việt Nam (EVN) quan tâm, nhằm từng bước

phát triển hệ thống điện theo hướng hiện đại hóa, nhằm nâng cao chất lượng trong
công tác vận hành, tăng cường khả năng cạnh tranh của ngành điện với các nước
trong khu vực và trên thế giới. Để nâng cao tính cạnh tranh, thuận lợi cho quá trình
mở rộng phát triển hệ thống, tiêu chuẩn truyền thông IEC 61850 được tập đoàn
2




EVN lựa chọn và định hướng ứng dụng vào hệ thống trạm biến áp trong hiện tại và
tương lai.
Những đề tài nghiên cứu về tiêu chuẩn IEC 61850 trong trạm biến áp trước đây đã
có một số đề tài thực hiện nhưng chỉ giới hạn trong phần giới thiệu về thiết bị hỗ trợ
được tiêu chuẩn IEC 61850, vẫn chưa đi sâu vào tìm hiểu giao thức kết nối hay cấu
hình trạm. Với đề tài “Nghiên cứu giao thức truyền thông IEC 61850 trong trạm
biến áp”, sẽ bổ sung những kiến thức nghiên cứu về những mô hình ứng dụng, trao
đổi thông tin hay sử dụng ngôn ngữ để cấu hình trạm, cùng với hướng nâng cấp hay
xây dựng trạm mới theo tiêu chuẩn IEC 61850.
1.3. Mục tiêu của đề tài.
- Thông qua đề tài nhằm tìm hiểu cơ chế hoạt động của trạm biến áp theo tiêu chuẩn
IEC 61850.
- Phân tích thiết bị IED dùng trong trạm, tìm hiểu những giao thức truyền dữ liệu
hay các mô hình trong tiêu chuẩn IEC 61850.
- Sử dụng ngôn ngữ và phần mềm hỗ trợ trong việc cấu hình trạm theo IEC 61850.
- Kết quả đề tài dùng làm tài liệu nghiên cứu - giảng dạy cho sinh viên các ngành hệ
thống điện hay cung cấp điện.
- Làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ - nhân viên đang tham gia vận hành, quản
lý các trạm điện trong ngành điện.
1.4. Nội dung nghiên cứu.
Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu của đề tài, quá trình nghiên cứu thông qua

các bước sau:
- Nghiên cứu, phân tích tiêu chuẩn IEC 61850 qua tài liệu IEC 61850.
- Khảo sát hoạt động thực tế của trạm biến áp Thuận An 110/220KV.
- Tìm hiểu những thiết bị điện tử thông minh (IED) thông qua Database từ
Software Kalkitech SCL Manager.
- Tìm hiểu kiến thức về những yêu cầu thiết kế trạm từ tài liệu “Thiết kế nhà máy
điện và trạm biến áp”.
- Sử dụng chương trình Visual Studio 2010 để thiết kế giao diện mô phỏng kết nối
giữa các IED.
3




1.5. Phương pháp nghiên cứu.
Để giải quyết các vấn đề trên đề tài đã đưa ra những phương pháp nghiên cứu như
sau:
- Tìm hiểu thực trạng về cấu hình, cách kết nối và truyền thông tin trong trạm biến
áp thực tế ở Trạm Thuận An 110/220KV, tỉnh Bình Dương.
- Đọc và tìm hiểu tiêu chuẩn IEC 61850 thông qua trang mạng: www.iec.ch.
- Phân tích hướng dẫn sử sụng Software Kalkitech SCL Manager.
- Tìm hiểu những thiết bị điện tử thông minh (IED) thông qua Database từ
Software Kalkitech SCL Manager.
- Phân tích yêu cầu về thiết kế trạm từ tài liệu “Thiết kế nhà máy điện và trạm biến
áp”.
- Tìm hiểu hướng dẫn sử dụng chương trình Visual Studio 2010 để thiết kế giao
diện mô phỏng.
1.6. Cấu trúc luận văn.
Luận văn được thực hiện với cấu trúc như sau:
Chương 1: Tổng quan các thành phần điều khiển trong trạm biến áp.

Chương 2: Các mô hình đối tượng theo tiêu chuẩn IEC 61850.
Chương 3: Những giao thức truyền thông theo tiêu chuẩn IEC 61850.
Chương 4: Phân tích cấu hình ngôn ngữ và mô tả cấu trúc trạm theo tiêu chuẩn IEC
61850.
Chương 5: Kết luận - đánh giá.









4




CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC THÀNH PHẦN ĐIỀU KHIỂN
TRONG TRẠM BIẾN ÁP.

A. Giới thiệu.
Nội dung của chương một cung cấp những kiến thức cơ bản về hệ thống trạm biến
áp, so sánh tổng quan giữa hệ thống trạm kiểu truyền thống và trạm kiểu tích hợp để
từ đó hình thành được những khái niệm liên quan đến truyền thông trong hệ thống
trạm. Qua chương này nhằm giới thiệu những thiết bị điện tử thông minh (IED) là
thiết bị giữ vai trò quan trọng trong hệ thống trạm tích hợp và các thành phần tạo
nên IED như các Logical Nodes hay những vấn đề về giao thức được áp dụng trong
trạm biến áp. Chương này còn giới thiệu một số tiêu chuẩn được áp dụng nhằm

nâng cao tính hiệu quả trong quản lý và vận hành trạm như Cấu trúc truyền thông
UCA hay dự án IEC 61850.
B. Các thành phần điều khiển trong trạm biến áp.
1.1. Giới thiệu hệ thống tự động trong trạm biến áp.
Tự động hóa hệ thống trạm biến áp là tự động trong điều khiển trạm thông qua
việc sử dụng dữ liệu từ các thiết bị điện tử thông minh hay các lệnh điều khiển từ xa
để điều khiển các thiết bị với một số chức năng như bảo vệ, đo lường và điều khiển.
Hệ thống điều khiển được tích hợp trong trạm biến áp (Integrated Substation
Automation Control System) là hệ thống tự động dựa trên cơ sở một hệ thống máy
tính được đặt tại các trạm trong hệ thống điện nhằm điều khiển, giám sát tự động
các thiết bị trong trạm và tích hợp các dữ liệu thu được vào chung một hệ thống
nhằm phục vụ cho công tác quản lý vận hành trạm.
Dữ liệu thu thập được bao gồm những thông tin từ rơle bảo vệ, rơle điều khiển,
thiết bị bảo vệ quá dòng, quá áp, đo lường, báo sự cố, điều khiển tự động hệ thống
phân phối, những thông tin này được đưa vào một hệ thống lưu trữ dữ liệu, sau đó
được xử lý, điều khiển thống nhất trong trạm.
Sự tích hợp trong trạm dựa trên một khuôn khổ chung nhằm tạo điều kiện cho việc
phối hợp hoạt động giữa các IED, những thiết bị hiện đang có và dự kiến lắp để từ
đó tạo ra tính đồng nhất cao và thuận lợi cho việc thiết kế, lắp đặt hay qui hoạch
5




trong tương lai. Từ quá trình tích hợp trong trạm đã nâng cao được hiệu quả trong
việc quản lý vận hành trạm nhằm đáp ứng hoạt động giám sát, điều khiển trong
trạm.

Hình 1.1: Mô hình trạm được tích hợp với thiết bị Sicom.
1.2. Quá trình phát triển các kiểu hệ thống trạm biến áp.

1.2.1. Hệ thống điều khiển kiểu truyền thống.
Các trạm biến áp được xây dựng bao gồm các thiết bị nhất thứ như: máy biến áp,
máy cắt, dao cách ly làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng trong hệ thống
điện. Đi kèm với các thiết bị nhất thứ là hệ thống nhị thứ được lắp đặt nhằm giám
sát và điều khiển các thiết bị nhất thứ.
Hệ thống điều khiển kiểu truyền thống đã được thiết kế và lắp đặt trong trạm biến
áp từ hàng trăm năm nay, đặc điểm cơ bản là hệ thống bao gồm các thiết bị cơ điện
và tĩnh điện được kết nối với nhau bằng cáp truyền tín hiệu để thực hiện các chức
năng riêng biệt như:
6




- Chức năng bảo vệ hệ thống điện được thực hiện bởi các rơle bảo vệ kiểu cơ điện
và kiểu tĩnh điện nối đến các CT và CV bảo vệ, mỗi rơle chỉ đảm nhận một chức
năng duy nhất.
- Chức năng đo lường và đo đếm điện năng được thực hiện bởi các đồng hồ và
công tơ nối đến các CT và VT đo lường.
- Chức năng giám sát trạng thái được thực hiện bằng các đèn báo, thiết bị chỉ thị,
- Chức năng điều khiển được thực hiện bởi các mạch điều khiển riêng lẽ và chỉ có
thể thực hiện được ở mức điều khiển cơ bản.
- Giao diện người sử dụng được thực hiện bằng các bảng điều khiển thông qua các
công tắc điều khiển.

Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển kiểu truyền thống.
Các thiết bị trong hệ thống được lắp đặt trong các tủ điện và kết nối với nhau bằng
cáp nhị thứ (cáp nhiều sợi) và đi trong các rãnh cáp.
Hệ thống điều khiển truyền thống mặc dù có những ưu điểm như dễ dàng cho
người vận hành trong việc vận hành và bảo trì hệ thống, độ tin cậy của hệ thống đã

được chứng minh trong hành trăm năm qua, việc kết nối giữa các thiết bị trong cùng
một hệ thống rất đơn giản, . . . Tuy nhiên, hiện nay chúng đã có những dấu hiệu về
nhược điểm như:
7




- Hệ thống phức tạp do có quá nhiều thiết bị, quá nhiều dây truyền tín hiệu, dẫn
đến khả năng bị sự cố trên hệ thống nhị thứ rất cao.
- Khả năng tự động hóa thấp, các chức năng điều khiển nâng cao vẫn phải thực
hiện bởi con người.
- Việc thu thập dữ liệu phải thực hiện bằng tay, độ chính xác không cao, khả năng
phân tích và xử lý dữ liệu bị hạn chế.
- Việc quản lý rất khó khăn do thiếu các dữ liệu chính xác được cập nhật kịp thời.
- Việc bảo trì và nâng cấp hệ thống rất khó khăn.
- Thời gian thao tác chậm, khả năng nhằm lẫn cao do thao tác bằng tay, dẫn đến
thời gian mất điện kéo dài.
Trong tình hình hiện nay, trước nhu cầu phải gia tăng chất lượng cung cấp điện,
giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp điện, đồng thời do độ phức tạp của sơ đồ
lưới điện ngày một gia tăng đòi hỏi các thao tác điều khiển ngày càng phức tạp, khả
năng đáp ứng các yêu cầu trên của hệ thống điều khiển kiểu truyền thống là không
thể thực hiện được.
1.2.2. Hệ thống điều khiển kiểu tích hợp.
Vào đầu những năm 1990, các trạm biến áp bắt đầu sử dụng các rơle kỹ thuật số
thay thế các rơle cơ điện và rơle tĩnh điện, các rơle số này dựa trên nền bộ vi xử lý
bắt đầu có những chức năng vược trội so với các rơle thế hệ trước đây. Tuy nhiên,
việc tự động hóa và tích hợp còn nhiều hạn chế vì những nguyên nhân sau:
- Khả năng của thiết bị số còn nhiều hạn chế do giới hạn của bộ xử lý và bộ nhớ.
- Khả năng truyền dữ liệu bị hạn chế do chưa có một chuẩn thống nhất trong giao

thức truyền dữ liệu giữa các rơle được chế tạo từ các hãng khác nhau, điều này dẫn
đến việc không thể kết nối giữa các rơle khác nhau trong cùng một trạm hay giữa
các trạm với nhau trong một hệ thống điện. Thậm chí việc kết nối giữa các thế hệ
rơle khác nhau do cùng một nhà sản xuất cũng không thể thực hiện được, hoặc chỉ
thực hiện được với một chi phí không tương xứng.
Việc tích hợp dữ liệu thu được từ các thiết bị số trong trạm biến áp là không thực
hiện được. Các trạm biến áp nếu được tự động hóa thì cũng trở thành một ốc đảo tự
động hóa, do không có khả năng liên kết về thông tin với nhau, chúng chỉ có khả
8




năng vận hành độc lập. Tất cả những hạn chế trên đã được khắc phục khi xuất hiện
các IED và tiêu chuẩn IEC 61850.


Hình 1.3: Mô hình giữa điều khiển truyền thống và điều khiển tích hợp.
1.3. Tổng quan về hệ thống điều khiển tích hợp.
Thành phần của hệ thống tích hợp bao gồm ba cấp:
+ Cấp trạm - Station Level.
Cấp trạm bao gồm máy tính HMI (Human Machine Interface), những máy tính
điều khiển trong trạm được cài đặt các chương trình ứng dụng để nhân viên vận
hành có thể giám sát và điều khiển toàn bộ bằng máy tính. Máy tính trạm được lắp
đặt trong phòng điều hành và được kết nối đến các IED thông qua mạng truyền dữ
liệu nội bộ LAN, đường truyền được sử dụng cáp quang để tránh bị nhiễu điện từ.
Mạng truyền dữ liệu nội bộ LAN còn được nối đến cổng truyền dữ liệu từ xa sử
dụng cho hệ thống SCADA của trung tâm điều độ hoặc cho HMI từ xa.
Nhiệm vụ của các thiết bị cấp trạm bao gồm:
- Thông tin liên lạc với trung tâm điều độ lưới từ xa.

- Thông tin liên lạc với các thiết bị cấp xuất tuyến.
9




- Quản lý sự kiện và cảnh báo.
- Theo dõi, giám sát.
- Đánh giá và kích hoạt dữ liệu.
+ Cấp xuất tuyến (ngăn lộ) - Bay Level.
Cấp xuất tuyến bao gồm các IED được lắp đặt tại các tủ điều khiển ngoài trời hay
trong phòng gần các thiết bị chấp hành mà nó điều khiển. Các IED được kết nối đến
các thiết bị chấp hành bằng cáp nhiều sợi thông qua các cổng Input/Ouput của IED
kết nối đến tủ truyền động, hộp đấu dây của thiết bị ở cấp chấp hành.
Việc lắp đặt các IED gần các thiết bị chấp hành nhằm mục đích giảm bớt số lượng
cáp nhiều sợi đi dây giữa các IED và các thiết bị chấp hành, nhờ đó giảm được chi
phí xây dựng, giảm được xác xuất hư hỏng trên cáp nhiều sợi.
Nhiệm vụ của các thiết bị ở cấp xuất tuyến như sau: bảo vệ, điều khiển, thu thập
dữ liệu, ghi sự kiện, sự cố, nhiễu loạn, thu thập dữ liệu chung, đồng bộ về thời gian.
+ Cấp chấp hành - Process Level.
Bao gồm các thiết bị nhất thứ (Primary Equipment) như: máy cắt, dao cách ly, bộ
OLTC thiết bị thu thập dữ liệu như CT, VT, cảm biến lắp đặt trên các thiết bị nhất
thứ, . . . Các thiết bị chấp hành được điều khiển tại chổ bằng tủ truyền động điện.

Hình 1.4: Cấu hình của hệ thống điều khiển tích hợp.
10

1.4. Thiết bị điện tử thông minh (IED).
Trong 30 năm qua đã xảy ra sự thay đổi to lớn trong công nghiệp chế tạo thiết bị
sử dụng trong trạm với những chức năng như: bảo vệ, đo lường điều khiển và giám
sát, … trong đó vai trò chủ yếu thuộc về những rơle.
Các rơle bảo vệ cơ điện đã được thay thế bởi rơle tĩnh điện hay rơle số và hiện
nay là rơle kỹ thuật số, qua mỗi bước thay đổi đã đem lại kết quả là giảm đáng kể
kích thước của các rơle và sự cải thiện trong tính năng hoạt động. Hơn nữa, độ tin
cậy và tính sẵn sàng hoạt động của rơle đã được gia tăng đáng kể về mặt kỹ thuật
trong đó có những chức năng không thể thực hiện được với những rơle loại cơ trước
đây nhưng lại dễ dàng với những rơle kỹ thuật số hiện nay. Điều này thực sự là một
thành tích to lớn của sự phát triển vược bật về thiết kế lẫn công nghệ chế tạo rơle.
Quá trình phát triển công nghệ rơle cho đến nay đã trãi qua 4 thế hệ:
- Rơle cơ điện - Electromechanical Relays
- Rơle tĩnh điện - Static Relays
- Rơle số - Digital Relays
- Rơle kỹ thuật số - Numerical Relays
Những rơle kỹ thuật số được gọi là thiết bị điện tử thông minh (IED), thiết bị này
dựa trên nền bộ xử lý dùng để điều khiển các thiết bị nhất thứ trong hệ thống trạm
như: máy cắt, cầu dao, máy biến áp và tụ bù, . . . Những IED nhận tín hiệu từ CT,
VT và các bộ cảm biến lắp trên thiết bị nhất thứ, từ các tín hiệu này, IED có thể phát
hiện các tình trạng sự cố xảy ra trên hệ thống điện thuộc phạm vi chúng quản lý, lúc
đó đưa ra lệnh điều khiển cho máy cắt nhằm cô lập vùng sự cố. Các dạng của IED là
các rơle bảo vệ, máy cắt, bộ điều khiển tự đóng lại, bộ điều khiển tụ bù, bộ điều áp,
thiết bị đo, . . . Một rơle số ngày nay có thể đảm nhiệm từ 5 - 12 chức năng bảo vệ,
từ 5 - 8 chức năng giám sát và điều khiển thiết bị như: tự động đóng lại, tự giám sát,
chức năng ghi nhận sự cố, sự kiện, nhiễu loạn trên hệ thống điện, chức năng truyền
dữ liệu. Theo qui định của EVN các loại IED hiện nay được sử dụng tại Việt Nam
thuộc các nhà cung cấp sau: ABB, Areva, Belco, Sel, Siemens, Toshiba, . . .
11

Hình 1.5: Mô hình tích hợp của thiết bị IED được dùng trong trạm.
1.5. Giới thiệu về Logical Nodes.
Đối tượng chính của tiêu chuẩn IEC 61850 là thiết kế hệ thống thông tin có khả
năng đáp ứng sự kết nối giữa các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau, để phối
hợp thực hiện cùng một chức năng. Trên cở sở đó, mô hình đối tượng của tiêu
chuẩn sẽ chia nhỏ các chức năng của trạm thành những chức năng con, đó chính là
những LN trong IED.
Tập hợp các LN trong tiêu chuẩn IEC 61850 bao gồm: các LN chức năng bảo vệ,
các LN điều khiển, các LN đo lường, . . .

Hình 1.6: Mô tả chức năng của LN trong các IED.
12




- Trong IEC 61850 những LN được chia thành 13 nhóm. Tên chữ cái đầu tiên trong
nhóm thể hiện chức năng của thiết bị trong nhóm đó.
Bảng 1.1: Mô tả nhóm Logical Node.

- Mỗi nhóm này được chia nhỏ hơn trong LN. Có 86 loại LN khác nhau được xác
định từ 13 nhóm LN. Một trong số này bao gồm các dữ liệu với chức năng cụ thể và
được phân loại riêng biệt. Ví dụ, nhóm chức năng bảo vệ bảo gồm 27 LN khác
nhau, một vài trong số này được liệt kê như sau:
Bảng 1.2: Mô tả nhóm và số chức năng của LN

13




- Có 355 lớp khác nhau của dữ liệu sử dụng để cấu trúc cho các LN. Các lớp dữ liệu
được chia trong số 7 chuyên mục chi tiết ở trong bảng.
Bảng 1.3: Các lớp dữ liệu Logical Node.

- Để minh họa các thiết bị, các LN hay các lớp dữ liệu cùng với khái niệm dữ liệu
thực sẽ được mô tả trong một IED như là một khối thống nhất.

Hình 1.7: Mô hình khối Physical Device.
- Khối này gồm các Physical Device nó chứa một hoặc nhiều Logical Device, trong
đó có từ một đến nhiều LN, trong mỗi lớp của Data (DataClass) được xác định sẽ có
chứa nhiều Data.

14




1.6. Giao thức (Protocol).
Giao thức truyền thông và các tiêu chuẩn đã 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, tăng khả năng tương tác linh hoạt, cập nhật nhanh chóng và hiệu
quả trong việc chia sẻ 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 việc xử lý dữ liệu, thường dẫn đến kết quả là các giao diện trở nên phức
tạp.


Hình 1.8: Mô hình dịch vụ truyền thông theo IEC 61850.
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 tự 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 sử dụng
một giao thức thống nhất theo chuẩn công nghiệp.

15




1.6.1. Chuẩn Ethernet.
Ethernet là một chuẩn về phần cứng hay được xem là một chuẩn kết nối mạng
thường dùng nhất hiện nay trong mạng cục bộ. Ethernet được phát minh bởi Robert
Metcalfe và David Boggs của công ty Xerox PARC vào năm 1973, Ethernet đã phát
triển không ngừng từ tốc độ 10MMb/s lên đến 100Mb/s và 1000Mb/s.
Ban đầu, mỗi thiết bị trong mạng Ethernet chỉ có thể cách nhau tối đa vài trăm
mét. Các ứng dụng công nghệ mới đã giúp kéo dài khoảng cách này tới hàng chục
km. Ứng dụng phổ biến nhất của mạng Ethernet là mạng LAN (Local Area
Network: mạng cục bộ), dùng kết nối các máy tính lại với nhau thông qua máy chủ.
Với cấu trúc mạng hình sao và hình thức nối dây xoắn của Ethernet đã trở thành
công nghệ LAN được sử dụng rộng rãi từ thập kỷ 1990 cho tới nay, trong hệ thống
điều khiển tích hợp mạng truyền dữ liệu sử dụng chuẩn Ethernet dùng cho cáp

quang với tốc độ 100Mb/s để truyền dữ liệu giữa IED với máy tính hoặc giữa các
thiết bị liên kết với máy tính. Trong mô hình OSI chuẩn này nằm ở tầng Physical và
Data Link.

Hình 1.9: Cấu trúc sử dụng mạng Enternet trong trạm.
1.6.2. Giao thức TCP/IP Internet.
Mặc dù rất nhiều giao thức được đưa ra nhằm áp dụng cho Internet, nhưng chỉ một
bộ giao thức nổi bật được sử dụng rộng rãi nhất cho liên mạng, đó là bộ giao thức
Internet TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). TCP/IP là bộ
16




giao thức đầu tiên được phát triển để sử dụng cho Internet. TCP/IP bắt đầu được
nghiên cứu vào những năm 1970, xấp xỉ thời gian với mạng cục bộ phát triển. Giao
thức này được phát triển từ mạng Arpanet và Internet và được dùng như giao thức
mạng và vận chuyển trên mạng Internet, giao thức này còn cho phép các hệ thống
mạng cùng làm việc với nhau thông qua việc cung cấp phương tiện truyền thông
liên mạng.

Hình 1.10: Mô hình OSI và giao thức TCP/IP.
Với bộ giao thức TCP\IP các máy tính được đăng ký duy nhất một địa chỉ IP
Address có vai trò tương tự như số điện thoại. Các IP này là duy nhất và không có
máy nào trùng nhau. Mỗi IP packet mang một IP Address bao gồm hai phần là: Địa
chỉ đích (Destination Address) và địa chỉ máy chủ (Host Address). Địa chỉ máy chủ
là IP Address của máy tính sẽ gửi dữ liệu và địa chỉ của máy nhận. Các thiết bị định
tuyến (Routers) và chuyển mạch sử dụng địa chỉ đích để chuyển các gói tin qua
mạng kết nối.
Mặc dù truyền thông dữ liệu được yêu cầu đáp ứng nhanh trong một số ứng dụng

của trạm biến áp, nhưng độ tin cậy vẫn là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Vì vậy,
UDP chỉ đáp ứng yêu cầu về mặt tốc độ nhưng không đáp ứng được độ tin cậy nên
vấn đề đặt ra ở đây là làm sau đảm bảo độ tin cậy khi sử dụng IP với UDP.



17




1.6.3. Một số giao thức trong trạm biến áp.
Có rất nhiều chuẩn về giao thức kết nối được sử dụng trong các mô hình trạm biến
áp, những giao thức phổ biến thường được sử dụng như:
- Giao thức Modbus: Giao thức này được phát triển vào năm 1979 cho các hệ
thống điều khiển quá trình. Modbus là giao thức lớp tin nhắn ứng dụng. Nó cung
cấp truyền thông kiểu Client/Server giữa các thiết bị kết nối gồm nhiều loại khác
nhau của bus hoặc hệ thống. Thông điệp là các câu lệnh Read/Write với các địa chỉ
bên trong các IED.
- Giao thức mạng phân phối DNP (Distributed Network Protocol): Giao thức này
được phát triển dựa trên IEC 60870-5, được công bố vào năm 1993. Ban đầu được
thiết kế cho hệ thống SCADA, nhưng ngày nay nó được ứng dụng trong nhiều
ngành công nghiệp như: điện, nước, dầu và khí đốt. Giao thức này dựa trên cấu trúc
Master/Slave được dùng phổ biến chủ yếu ở Bắc Mỹ. Trong trạm biến áp, giao thức
này dùng để xác định các thông tin liên lạc giữa các trạm với các trạm thành viên,
giữa các RTU và các IED. Phương thức truyền thông sử dụng cáp RS232 cho giao
tiếp khoảng cách ngắn point-to-point, và giao tiếp từ xa RS422 hai chiều mở rộng
RS485 cho truyền thông đa điểm và hơn nữa là Ethernet cho khu vực địa lý lớn hơn.
- IEC-870-5-101: Được coi là “bạn đồng hành” đến từ Châu Âu. Nó khác với giao
thức Master/Slave là cấu trúc tin nhắn và khả năng truy cập thông tin đối tượng từ

các thiết bị IED.

Hình 1.11: Mô hình giao thức IEC 870-5-101.
18




1.7. Sự phát triển của các tiêu chuẩn truyền thông.
Việc giới thiệu các giao thức tốc độ cao trong IED cho phép trao đổi thông tin
giữa các thiết bị giống nhau hoặc cùng một nhà cung cấp nhằm kết nối nhiều thiết bị
từ các nhà cung cấp khác nhau và cùng chia sẽ các tiện ích với nhiều khả năng như
bảo vệ, giám sát, … thì cần phải áp dụng một bộ biến đổi giao thức. Hơn nữa, giao
thức từ các IED cũng bị hạn chế khả năng về tốc độ, chức năng hay các dịch vụ về
kỹ thuật cũng khó khăn hơn; chi phí vận hành và bảo dưỡng cũng tăng lên. Trên thế
giới, việc bãi bỏ quy định tiện ích đang mở rộng và tạo ra nhu cầu tích hợp, cũng cố
và phổ biến thông tin thời gian thực một cách nhanh chóng và chính xác trong các
trạm biến áp.
Một giao thức không độc quyền là giao thức đáp ứng được các tiêu chuẩn trong
trạm như truyền dữ liệu với tốc độ cao, kịp thời và chính xác mà không phải dùng
các bộ biến đổi giao thức. Việc giới thiệu dự án IEC 61850 và Cấu trúc truyền
thông tiện ích UCA (Utility Communications Architecture) đã tạo điều kiện để có
thể tích hợp các IED trong trạm thông qua việc sử dụng ngôn ngữ mở rộng XML.
Cấu trúc UCA được đề nghị bởi EPRI vào năm 1994 nhằm xác định những yêu
cầu về cấu trúc tổng thể và các kỹ thuật truyền thông cơ bản trong trạm, mục tiêu là
tiếp cận các yêu cầu kỹ thuật về giám sát và điều khiển trong trạm. Từ những yêu
cầu thực tế trong trạm, hội đồng kỹ thuật 57 - (Technical Committee 57) bắt đầu với
dự án IEC 61850 vào năm 1996 với mục tiêu như UCA. Năm 1997 EPRI và IEC đã
thống nhất một mục tiêu chung và lập nên tiêu chuẩn IEC 61850 chọn làm nền tảng
và được hổ trợ thêm một vài đặc tính của cấu trúc UCA.

Hình 1.12: Mô hình hợp nhất giữa UCA và IEC.
19




1.7.1. Cấu trúc truyền thông UCA.
UCA là cấu trúc truyền thông tiện ích được thiết kế để đáp ứng mọi yêu cầu có
thể có trong thiết bị trạm biến áp. Mục tiêu của UCA là giảm chi phí cho các vấn đề
về kỹ thuật, giám sát, vận hành và bảo trì trong các trạm biến áp bằng cách phát
triển các thiết bị chứa thông tin về đặc điểm kỹ thuật được tích hợp bên trong.
Với sự hỗ trợ của EPRI, đã có nhiều nhà sản xuất IED đã xây dựng các phiên bản
UCA tuân thủ của sản phẩm. Các đặc điểm kỹ thuật xây dựng cho một giao thức
truyền thông, trong đó xử lý tất cả các chức năng thu thập dữ liệu và điều khiển tốc
độ cao đã được phát triển khá nhanh chóng. Các nhà sản xuất thiết bị tiếp tục sửa
đổi và bổ sung cập nhật trong mỗi sản phẩm. Người sử dụng có thể nhìn thấy một
sự trình diễn ấn tượng và xây dựng khả năng tương tác trong một loạt các thiết bị từ
các nhà cung cấp khác nhau. Tầm quan trọng của việc đạt được sự kết nối tương
thích đã buộc phải có sự hợp tác cao giữa các đối thủ cạnh tranh.
1.7.2. Dự án IEC 61850.


Hình 1.13: Đặt điểm mô hình dự án IEC 61850.
Sự ra đời của phiên bản IEC 61850 chuẩn năm 2003 cho quá trình tự động hóa
các trạm đã chứng tỏ một bước tiến lớn hướng đến việc đơn giản hóa quá trình ứng
dụng những thiết bị IED. Phiên bản này đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị
IED và đáp ứng được yêu cầu thay thế những giao thức riêng lẽ bằng một giao thức
chung được ứng dụng trong trạm.

20




Sự xuất hiện của dự án IEC 61850 đánh dấu một bước tiến quan trọng và sẽ có ảnh
hưởng rất lớn về tương lai trong việc thiết kế và xây dựng các trạm biến áp.
1.8. Cấu trúc truyền thông Client/Server.
Trong mô hình cấu trúc Client/Server thì Client làm nhiệm vụ gửi tin nhắn đến
Server. Sau khi Server nhận được và xử lý sẽ phản hồi bằng tin nhắn tương ứng về
Client.

Hình 1.14: Mô hình truyền thông tin Client/Server.
Cấu trúc Client/Server đáp ứng được tiện ích khi các Node trên mạng truyền
thông muốn truy cập thông tin dữ liệu ở trung tâm hay truy cập các thông số cấu
hình của cơ sở dữ liệu hoặc xử lý trao đổi thông tin giữa các IED.
C. Kết luận.
Qua chương này ta thấy được sự phát triển và tầm quan trọng của trạm tích hợp
dựa trên thiết bị IED. Từ đó, phân tích được tính năng vược trội của thiết bị số so
với thiết bị truyền thống từ những đặc điểm về cấu tạo đến chức năng của IED hay
LN. Chương một đã giới thiệu về quá trình phát triển hệ thống giao thức sử dụng
trong trạm biến áp, để làm cơ sở cho việc thiết kế hay lựa chọn cấu hình mạng trong
trạm. Chương này còn giới thiệu quá trình hợp thành của tiêu chuẩn IEC 61850 từ
cấu trúc truyền thông UCA và dự án IEC 61850.





21

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG TRONG
TIÊU CHUẨN IEC 61850.

A. Giới thiệu.
Nội dung trọng tâm của chương là giới thiệu cách tiếp cận tiêu chuẩn IEC 61850
thông qua những mô hình đối tượng, để từ đó hiểu và phân tích những ứng dụng từ
tiêu chuẩn này. Từ mô hình trao đổi thông tin ta thấy được tầm quan trọng của việc
mô hình hóa đối tượng trong việc ứng dụng các phần tử Logical Node thay cho thiết
bị thực. Thông qua việc mô hình hóa đối tượng trong việc điều khiển, giao tiếp để
từ đó hiểu được cơ cấu trao đổi thông tin từ mô hình ảo để điều khiển thiết bị thực,
thông qua mô hình máy cắt. Đồng thời, qua chương này đã giới thiệu về mô hình
ánh xạ và những dịch vụ đi kèm theo mô hình, cung cấp kiến thức khái quát về cách
liên kết các đối tượng truyền thông trong trạm.
B. Tiêu chuẩn IEC 61850 và những mô hình đối tượng.
2.1. Giới thiệu về tiêu chuẩn IEC 61850.
Tiêu chuẩn IEC 61850 là tiêu chuẩn truyền thông được dùng trong tự động hoá
trạm biến áp được giới thiệu vào năm 2003. Tiêu chuẩn này với mục tiêu là đạt
được sự tương thích giữa các IED bên trong trạm biến áp bằng cách thực hiện cấu
hình cho các IED nhằm thực hiện các chức năng trong trạm như: bảo vệ, điều khiển,
đo lường và giám sát truyền thông. Ngoài ra, tiêu chuẩn còn giới thiệu về khả năng
thực hiện các ứng dụng cao hơn của những IED như điều khiển phân tán, chức năng
liên động và giám sát phức tạp. Mục tiêu chính của tiêu chuẩn là đạt được sự chuẩn
hóa trong ngôn ngữ truyền thông cho phép việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị
từ nhiều nhà cung cấp khác nhau. Tiêu chuẩn IEC 61850 bao gồm 14 phần và được
chia thành 10 chủ đề chính. Phần nội dung chi tiết của tiêu chuẩn IEC 61850 gồm
những phần sau:

22





Hình 2.1: Mô hình tiêu chuẩn IEC 61850.
Phần 1: Giới thiệu và tổng quan về tiêu chuẩn.
Phần 2: Giải thích các thuật ngữ, từ viết tắt được dùng trong tiêu chuẩn.
Phần 3: Xác định rõ yêu cầu của hệ thống với sự nhấn mạnh yêu cầu về kết nối
truyền thông trong trạm.
Phần 4: Xác định hệ thống và quản lý dự án đối với quá trình kỹ thuật.
Phần 5: Mô tả về thiết bị và các yêu cầu về chức năng để xác định những yêu cầu
truyền thông giữa các dịch vụ trong trạm biến áp. Mục tiêu chính là đạt được sự
tương thích cho tất cả kết nối giữa các IED.
Phần 6: Mô tả ngôn ngữ để cấu hình trạm, thông tin liên lạc liên quan đến cấu hình
IED và thông số IED để cấu hình trạm.
Phần 7: Cấu trúc truyền thông cơ bản và thiết bị trung gian trong trạm biến áp.
+ Phần 7.1: Giới thiệu phương pháp mô hình, các nguyên tắt truyền thông và mô
hình thông tin trong IEC 61850.
+ Phần 7.2: Giới thiệu về dịch vụ giao diện truyền thông trù tượng ACSI, mô tả
giao tiếp giữa Client và Server.
+ Phần 7.3: Xác định các loại thuộc tính và các lớp dữ liệu dùng chung liên quan
đến các ứng dụng cho trạm biến áp.
+ Phần 7.4: Xác định lớp dữ liệu LN dùng cho việc truyền thông giữa các IED.
23

Phần 8: Cách xác định các dữ liệu cần đáp ứng nhanh về thời gian để có thể trao
đổi thông qua mạng cục bộ bằng các ánh xạ ACSI qua phương tiện MMS.
Phần 9: Những đặc điểm của dịch vụ SCSM.
+ Phần 9.1: Xác định các dịch vụ truyền thông ở cấp xuất tuyến (Bay level) và cấp
chấp hành (Process level), giới thiệu các ánh xạ của dịch vụ truyền thông cho quá
trình truyền các giá trị mẫu.
+ Phần 9.2: Định nghĩa SCSM trong truyền các giá trị mẫu theo đặc tính truyền
thông IEC 61850.
Phần 10: Kiểm tra để xác định các tiêu chuẩn tự động hóa cho những trạm được
đảm bảo thực hiện đúng tiêu chuẩn IEC 61850.
Tiêu chuẩn IEC 61850 ra đời đã làm nền tảng về tiêu chuẩn cho quá trình tự động
hóa các trạm, là một bước tiến lớn hướng đến việc đơn giản hóa quá trình ứng dụng
và kết nối các IED từ nhiều hãng khác nhau.

Hình 2.2: Mô hình kết nối “tương đồng” IED giữa các hãng.
Những đặc điểm nổi bậc khi ứng dụng tiêu chuẩn này vào quá trình tự động hóa
trạm biến áp như sau:
+ Có thể điều khiển, giám sát tại chỗ hoặc từ xa toàn bộ hệ thống trạm qua giao diện
đồ hoạ, dẫn đến giảm được chi phí trong vận hành.
+ Các dữ liệu được phân loại, ưu tiên xử lý và đưa ra các cảnh báo kịp thời, giúp
cho người vận hành xử lý kịp thời, giảm thiểu được thời gian mất điện.
24




+ Các thông tin được cung cấp theo thời gian thực, các sự kiện, sự cố được hiển thị,
báo cáo, ghi nhận và có thể in ra, giúp cho việc phân tích các nhiễu loạn của hệ
thống dễ dàng, nhanh chóng và chính xác hơn.
+ Giảm được chi phí bảo dưỡng do theo dõi được tình trạng của các thiết bị nhất thứ

như máy cắt, máy biến áp,…
+ Tăng độ tin cậy và an toàn trong cung cấp điện.
+ Giảm được chi phí lắp đặt cáp nhị thứ.
2.2. Tổng quan về khái niệm tiêu chuẩn IEC 61850.
Cấu trúc liên kết và các chức năng truyền thông của hệ thống tự động trạm biến áp
thông qua mô hình sau:

Hình 2.3: Mô hình cấu trúc liên kết tự động hóa trạm biến áp.
- Mô hình hoạt động theo phương thức sau:
+ Đầu tiên sẽ lấy giá trị mẫu từ những biến dòng và biến áp để truyền đến các relay
thông qua Hub hoặc Router. (1).
+ Lúc này, tại các relay diễn ra quá trình trao đổi dữ liệu giữa với nhau để thực hiện
công việc điều khiển và bảo vệ. (2).
+ Sau đó, sẽ có một tín hiệu phản hồi từ màn hình giám sát hay lộ điều khiển thông
qua mạng ineternet đến các thiết bị trong trạm. (3).
25




+ Nếu trong trạm được trang bị thêm những thiết bị mới thì bộ phận kỹ thuật sẽ
thực hiện việc cấu hình trạm. (4).
+ Thông thường thì hoạt động của trạm được theo dõi, giám sát thông qua màn hình
HMI và bộ phận kỹ thuật. (5).
+ Thông qua hệ thống mạng, trạm cũng có thể được điều khiển từ xa bởi hệ thống
điều khiển trung tâm. (6).
2.2.1. Phân tích chức năng ứng dụng và trao đổi thông tin.
Tiêu chuẩn IEC 61850 được hiểu thông qua những mô hình và cơ chế trao đổi
thông tin, mô hình trao đổi thông tin và phương pháp mô hình hóa được xem là nền
tảng của tiêu chuẩn trong việc phân tích những ứng dụng từ việc phân tích thiết bị

thật thông qua mô hình ảo.

Hình 2.4: Mô hình tiếp cận tiêu chuẩn IEC 61850.
Trong tiêu chuẩn việc xác định thông tin và trao đổi thông tin được thực hiện một
cách độc lập và cụ thể (sử dụng mô hình trừu tượng). Tiêu chuẩn này, đã sử dụng
khái niệm ảo, khái niệm này đưa ra một cái nhìn về những khía cạnh của việc trao
đổi thông tin từ những LN dùng mô tả hoạt động của thiết bị thực thông qua môi
trường ảo. Chỉ ra những chi tiết được yêu cầu để cung cấp khả năng kết nối tương
đồng của các thiết bị. Cách tiếp cận tiêu chuẩn bằng cách chia nhỏ các chức năng