Nghiên cứu các tiêu chuẩn và cấu hình cơ bản của hệ thống tự động hóa trạm biến áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐÀM XUÂN ĐÔNG

NGHIÊN CỨU CÁC TIÊU CHUẨN VÀ CẤU HÌNH CƠ BẢN
CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ TRẠM BIẾN ÁP

Chuyên ngành : Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hệ thống điện

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.VS.TSKH TRẦN ĐÌNH LONG

Hà Nội – 2011


Luận văn cao học

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
1
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
2
Danh mục các bảng
5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
6
8
MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN TỰ ĐỘNG HÓA
10
TRẠM BIẾN ÁP
1.1 Một số tiêu chuẩn áp dụng trong hệ thống tự động hóa trạm biến áp
10
1.1.1 Giới thiệu chung
10
1.1.2 Các tiêu chuẩn đã được sử dụng trước đây
14
1.2 Các tiêu chuẩn đang được sử dụng và khả năng áp dụng vào Việt Nam
31
1.2.1 Giới thiệu tiêu chuẩn IEC 61850
31
1.2.2 So sánh một số các tiêu chuẩn
49
1.2.3 Áp dụng tiêu chuẩn IEC 61850 vào Việt Nam
54
59
Chương 2 - CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA
TRẠM BIẾN ÁP
2.1 Một số cấu hình hệ thống tự động hóa trạm biến áp
59
2.1.1 Cấu hình và các yêu cầu chung cho hệ thống tự động hóa trạm biến
59
áp.
2.1.2 Giới thiệu cấu hình cơ bản hệ thống trạm biến áp theo tiêu chuẩn
63
IEC 61850
2.1.3 Giới thiệu một số cấu hình tự động hóa trạm biến áp
70

2.2 Hệ thống đo lường
77
2.3 Hệ thống bảo vệ
77
2.4 Hệ thống giám sát và điều khiển
78
2.5 Kết nối hệ thống thông tin, giám sát, điều khiển từ xa
82
2.5.1 Kết nối với các trung tâm điều độ hệ thống
82
2.5.2 Kết nối với hệ thống trạm phía hạ áp
84
Chương 3 - CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
86
TRONG TRẠM BIẾN ÁP
3.1 Mạng truyền thông công nghiệp
86
3.1.1 Một số cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp
87
3.1.2 Các phương tiện truyền dẫn
93
3.1.3 Một số hệ thống BUS tiêu chuẩn trong hệ thống mạng truyền thông
98
3.2 Giới thiệu các thiết bị truyền thông, bảo vệ và đo lường trong trạm biến 101
áp
3.2.1 Các thiết bị cho hệ thống truyền thông
101
3.2.2 Các thiết bị cho hệ thống bảo vệ và đo lường
108
Chương 4 - XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA CHO TRẠM 109

BIẾN ÁP
4.1 Xây dựng trung tâm hệ thống điều khiển
109

HV Đàm Xuân Đông

- 133 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

4.2 Các thiết bị trong hệ thống tự động hóa trạm biến áp
4.2.1 Hệ thống phần cứng
4.2.2 Hệ thống phần mềm
4.2.3 Hệ thống truyền tin
4.2.4 Gắn biển báo thiết bị
4.2.5 Các màn hình hiển thị sơ đồ một sợi trạm
4.2.6 Các màn hình hiển thị giá trị đo
4.2.7 Các màn hình cảnh báo
4.2.8 Bảng báo hiệu cảnh báo
4.3 Áp dụng cho hệ thống giám sát và điều khiển trạm không người trực.
4.3.1 Tổng quan hệ thống thông tin vận hành
4.3.2 Hệ thống thu thập và xử lý thông tin mức trạm
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

HV Đàm Xuân Đông

- 134 -

110
110
118
121
122
123
123
124
124
125
125
127
130
131
133

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

BẢNG PHỤ LỤC
So sánh tiêu chuẩn IEC 61850 với tiêu chuẩn IEC 60870, tiêu chuẩn DNP3
Bảng 1.8
Tính năng

61850

60870-5-101

60870-5-104

60870-5-103

DNP3

Các kiểu dữ

Linh hoạt, dễ

Cố định

Cố định

Cố định

Linh hoạt

liệu hỗ trợ

dàng mở rộng

Địa chỉ/Xác

Tên phân

Trong

Trong

Trong

Trong

minh

cấp(e.g.,

mục lục

mục lục

mục lục

Mục lục

AB.E1.Q1/XC
BR4.ST.Pos)
Mục lục cho
báo cáo
Chất lượng

+

+

+

+

+

Thời gian

+

+

+

+

+

Nguyên nhân

+

+

+

+

+

của quá trình

truyền tải
> một giá trị Có nhiều loại Có
một khác nhau

trong
bản

tin(các

nhóm

ít

loại Có

ít

loại

ít

loại Có một vài

giống nhau và giống

nhau giống nhau và loại

COT( lý do và

COT COT

truyền) giống giống nhau.

dữ

Có

giống nhau

nhau.

nhau

liệu, các bộ
dữ liệu)

Một vài (bảo

Nội dung của Khoảng 2000
liệu( lớp(LN,

dữ
nghĩa

vệ)

dữ

của liệu, thuộc tính

các dữ liệu dữ liệu cho các
cụ thể như” lĩnh vực ứng

HV Đàm Xuân Đông

- 135 -

Khóa học 2009 - 2011

khác


Luận văn cao học

thời gian quá dụng chung)
dòng””PhsA
”vị trí của
máy cắt)
Một vài

Tự mô tả dữ Tên dữ liệu,
liệu(phục hồi kiểu, đặc điểm
trực tuyến)

của chức năng,
lựa

chọn

nhanh báo cáo,

băng

thông

chết, phạm vi
giá trị… cho
bất kỳ lớp dữ
liệu nào có thể
sử dụng được
rộng Linh hoạt, bất

Mở

thêm các mô kỳ nút logic
nào, dữ liệu và

hình

lớp

dữ

liệu

chung có thể
xác định cho
phạm vi ứng
dụng khác.
Bảng 1.9
Tính năng

Chu

kỳ

61850

60870-5-101

60870-5-104

60870-5-103

DNP3

+

+

+

+

Cho phép,

truyền

nhưng
tạm

HV Đàm Xuân Đông

- 136 -

Khóa học 2009 - 2011

sự
dừng


Luận văn cao học

hoạt động
không thể
điều khiển
từ xa
Truyền

tự

Linh hoạt

+

+

+

+

Đọc

Nhiều

Đơn lẻ

Đơn lẻ

Đơn lẻ

Nhiều

Viết

Nhiều

Đơn lẻ

Đơn lẻ

Đơn lẻ

Nhiều

bị)

+

+

+

+

+

đồng

+

+

+

+

điều

+

+

+

+

+

Chất lượng

Chất lượng

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

nhiên

(thiết
thăm dò
Khóa

bộ
Lệnh
khiển
Chuyển
từ

đổi +

xa(trực

tuyến)
Chuyển

đổi Chất lượng

Chất lượng

sự biểu thị
Dữ liệu về Tất cả dữ liệu(
chuỗi

cáo

và

ghi)

gian
Chuỗi
kiện

thời báo

sự Các trạng thái
dữ liệu( báo
cáo và ghi)

Các giá trị Tất cả dữ liệu(
dữ liệu báo với bộ lọc)
cáo
Ghi và khôi Tất cả dữ liệu

HV Đàm Xuân Đông

- 137 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

phục các giá (với

bộ

lọc

trị dữ liệu điều khiển từ
lựa chọn vào xa và các điều
bất cứ lúc khiển khác)

nào
đổi Thay

Đặt thông số Linh hoạt( xác Một vài( các Một vài(các Thay
điều khiển

định, thay đổi đại lượng đo)

đại

và sắp xếp)

đo)

đổi

lượng nhóm thiết lập một vài các
bảo

vệ

xác tham

số

truyền

định trước

thông liên

quan
Trao đổi các +
sự kiện của
trạm(GOOS
E,..)
Trao đổi các +
giá trị mẫu(
cho CT và
VT)
Truyền file

+

+

+

+

+

60870-5-103

DNP3

Bảng 1.10
Tính năng
Danh

61850

60870-5-101

60870-5-104

Giới hạn (chỉ

mục ++

các

của tất cả các ( hoàn thành
đối

tượng( phân

dịch

vụ

chung)

cấp

các tên và thông tin)
kiểu của dữ
liệu của các

HV Đàm Xuân Đông

- 138 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

nút logic,…)
nghĩa +++

Định
các

đối

tượng

hoạt

động

(tên,

+

+

+

+

( Chỉ có các ( Chỉ có các ( Chỉ có các ( Chỉ có
băng thông)

băng thông)

băng thông)

các

băng

thông, sau

kiểu, đơn vị,

đó

băng

mở rộng)

thông

là

cho báo cáo,
tỷ lệ, mô tả
…của

tiến

trình dữ liệu)
nghĩa +

Định
các

đối

tượng

liên

quan

đến

dịch

vụ

+

+

+

+

truyền
thông(

Các

thuộc

tính

điều

khiển

báo cáo/ ghi,
thuộc
điều

tính
khiển,

tạo lập các
nhóm thuộc
tính,…)

HV Đàm Xuân Đông

- 139 -

Khóa học 2009 - 2011

sự


Luận văn cao học

Bảng 1.11
Tính năng
Định rõ các

61850

60870-5-101

60870-5-104

60870-5-103

DNP3

+

+

++

+

nhóm dữ liệu
Lựa chọn dữ
liệu cho gửi

báo cáo
Kích

hoạt/

++

+

+

+

+++

+

+

+

+

+

+

+

hủy bỏ các

đối

tượng

điều

khiển

truyền thông
Thay đổi cơ
chế

báo

cáo/ghi
Đọc cấu hình

Bảng 1.12
Tính năng

61850

Mô tả đầy đủ XML/XML

60870-5-101
Chỉ

trên

hình DTD ý nghĩa liệu giấy

cấu
thiết bị

60870-5-104

60870-5-103

tài Chỉ trên tài Chỉ
liệu giấy

trên

liệu giấy

DNP3

tài Chỉ trên tài
liệu

giấy

lý thuyết của

sau

phát

các thiết bị,

triển thành

các nút logic,

các tài liệu

dữ liệu trong

trực tuyến.

ngữ cảnh đọc
trạm( mô tả
thông tin tùy
chọn và thông

HV Đàm Xuân Đông

- 140 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

tin cá nhân)
Hỗ trợ cho Hỗ trợ cho sự
người

bán phát triển của

hàng độc lập các công cụ
với hệ thống độc

lập

với

nhà cung cấp

kỹ thuật

dựa trên danh
sách các lớp
của

LN,

dữ

liệu và CDC
Vị

trí

của Hoàn

cấu hình

cấu

thành Cấu hình của Cấu hình của Cấu hình của Cấu

hình

là RTU và/hoặc RTU và/hoặc RTU và/hoặc của

RTU

hình

trong IED ở IED, cấu hình IED,

cấu IED, cấu hình và/hoặc

mọi thời gian của cơ sở dữ hình của cơ của cơ sở dữ IED,
phù hợp, ngoài liệu

và

cấu sở dữ liệu và liệu

và

cấu

cấu hình của cơ

ra còn trong hình của các cấu hình của hình của các sở dữ liệu
cấu hình của lớp ứng dụng

các lớp ứng lớp ứng dụng

và cấu hình

file XML

dụng

của các lớp
ứng dụng

Tự động hóa Hoàn

thành

kiểm tra cấu mô hình thông
trực tin có thể truy

hình
tuyến

và cập trực tuyến

ngoại tuyến

và tự động so
sánh với file
XML cấu hình
ngoại tuyến

HV Đàm Xuân Đông

- 141 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

Bảng 1.13
Tính năng

61850

60870-5-101

Tích hợp dữ Ánh xạ trực Ánh
liệu

60870-5-104

60870-5-103

của Ánh xạ của Ánh

xạ

xạ

DNP3

của Ánh xạ của

tiếp của các mục lục các mục lục các mục lục các mục
tượng đối

tượng các

tên đối tượng đối

tượng đối

tiêu chuẩn đến truyền

thông truyền thông truyền

các biến của tới

các

cơ sở dữ liệu tượng
hoặc

đối tới các đối tới
ứng tượng

lục

các

ứng tượng

đối

thông tượng
đối truyền
ứng thông

tới

chương dụng và các dụng và các dụng và các các

trình ứng dụng đối tượng ứng đối

đối

tượng đối tượng ứng tượng ứng

dụng tới các ứng dụng tới dụng tới các dụng

và

biến của cơ sở các biến của biến của cơ sở các

đối

dữ liệu hoặc cơ sở dữ liệu dữ liệu hoặc tượng ứng
chương
ứng dụng

trình hoặc chương chương
trình

ứng ứng dụng

trình dụng
các

tới
biến

của cơ sở

dụng

dữ

liệu

hoặc
chương
trình

ứng

dụng
Giao diện lập Không

theo Không

theo Không theo Không

trình

ứng tiêu chuẩn API tiêu chuẩn API tiêu

dụng

API

HV Đàm Xuân Đông

- 142 -

theo Không theo

chuẩn tiêu chuẩn API tiêu chuẩn
API

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

Bảng 1.14
Tính năng

61850

Mẫu dữ liệu

+

60870-5-101

60870-5-104

60870-5-103

DNP3
+

độc lập của
các dịch vụ
+

Các dịch vụ
độc lập của
các

mạng

truyền thông
Hỗ

trợ

hệ TCP/IP và ISO V.24/V.28
Ethernet hoặc

thống truyền trên

hoặc X.24/X.27

802.3

thông

TCP/IP trên RS 485/ sợi V.24/V.28
cáp quang

Ethernet
802.3

X.24/X.27;

hoặc

TCP/IP và

X.21

chuỗi X.21

hoặc

ISO

trên

Ethernet
802.3 hoặc
chuỗi X.21
Việc

phân 7 lớp (TCP/IP 3 lớp

lớp

và ISO) và nút

7

lớp 3 lớp

(TCP/IP)

AL)

logic( Dữ liệu
và

dữ

(PHL,

4

lớp

DLL, (chuỗi)
hoặc 7 lớp
(TCP/IP

liệu

chung) và thư

hoặc

viện

UDP/IP)

đối

tượng; có thể 3
lớp IP, OSI NP
Chế độ làm

(Không)

việc

xứng

Định tuyến

đối Đối xứng

Đối xứng

Đối xứng

IP, OSI

IP

NP

HV Đàm Xuân Đông

(Không)

IP
TCP/IP

- 143 -

Khóa học 2009 - 2011

nếu


Luận văn cao học

hoặc UDP
được hỗ trợ
Giao

thức

TCP, OSI

truyền vận

TCP

Giao

TP

vận

giả nối tiếp
, giao vận
giả,

đóng

gói lớp liên
kết dữ liệu
và

TCP

hoặc UDP
khác

qua

IP
Ngăn xếp xác Liên kết: 0, 1 Ngăn

Địa chỉ

định( một vài hoặc 2 byte;

xác định ( hoặc 2 byte;

trường địa chỉ AL: 2 đến 5 một
cho

DLL, byte

xếp Liên kết: 0, 1 Nguồn

trường

và

đích

trên

vài AL: 3 byte

chuỗi

16

địa

bit.

Thêm

chỉ cho DLL,

vào các địa

vận ..)

mạng,

chỉ

ngăn

Các đối tượng

vận ..)

xếp

xác

ứng dụng được

AL : cố định

định

cho

đặt tên (64 ký

5 byte

mỗi

lớp

mạng,

giao

giao

tự) hoặc bít

của IP bổ

ánh xạ trong

sung. Cổng

một vài trường

TCP/UDP

hợp

riêng và cố
định

Cấu hình của Một vài thuộc Các thuộc tính Một
ngăn

xếp tính của mỗi khác nhau

truyền thông

lớp

HV Đàm Xuân Đông

thuộc

vài Các thuộc tính Một ít các
tính khác nhau

thuộc tính

của mỗi lớp

- 144 -

Khóa học 2009 - 2011

Luận văn cao học

Dưới

giải +

Các

phát

pháp mã hóa (Sản phẩm sẵn
các

XML)

bản

tin

được mã hóa
theo

chuẩn

HTML

và

XML)

Hệ

thống +

dịch

vụ

tương

lai

(HTTP,
CORBA,
SOAP,…)

HV Đàm Xuân Đông

triển

của DNP3

(e.g, sàng cung cấp

khác

sự

- 145 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN
TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM BIẾN ÁP
1.1 Một số tiêu chuẩn áp dụng trong hệ thống tự động hóa trạm biến áp.
1.1.1 Giới thiệu chung
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và việc ứng dụng công nghệ số
vào các hệ thống thông tin, đo lường, điều khiển thì tự động hóa trong hệ thống điện
là một trong những lĩnh vực phát triển mạnh trong quá trình tự động hóa hệ thống
điện trên thế giới. Xét trong phạm vi một nhà máy điện đó là hệ thống tự động hóa
nhà máy(PCS - Plant Control System), đối với trạm biến áp đó là hệ thống tự động
hóa trạm biến áp(SAS - Substation Automation System ). Việc ứng dụng các hệ
thống điều khiển tích hợp trong hệ thống tự động hóa trạm biến áp - Integrated
Substation Automation Control System hay Integrated Control System - viết tắt là
ICS là một trong những công nghệ tiên tiến hiện nay, đó là thống điều khiển tự
động dựa trên cơ sở trên một hệ thống máy tính được áp dụng tại các trạm biến áp
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 để phục cho công tác quản lý vận
hành. Dữ liệu thu thập bao gồm thông tin liên lạc, rơ le bảo vệ, điều khiển thiết bị
điện, đo lường, báo sự cố, điều khiển tự động hệ thống phân phối, đưa vào một hệ
thống lưu trữ dữ liệu điều khiển thống nhất trong trạm.
Hệ thống tích hợp trạm dựa trên một khuôn khổ chung tạo điều kiện cho việc
phối hợp hoạt động giữa các IED(Intelligent Electronic Device), thiết bị cơ điện
hiện tại và tương lai nhằm làm cho hệ thống điều khiển và giám sát trong trạm hiệu
quả hơn, tiết kiệm hơn. Tính tích hợp được định nghĩa là: sự giao diện với các thiết
bị ngoài trạm và các thiết bị điện tử thông minh cho phép liên kết mạng và trao đổi

dữ liệu giữa các hệ thống, giữa những người sử dụng trong và ngoài trạm.
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

HV Đàm Xuân Đông

- 146 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

điện và điện tử được liên kết với nhau bằng mạch điện để thực hiện các chức năng
riêng biệt như :
+ Chức năng bảo vệ hệ thống điện được thực hiện bởi các rơ le bảo vệ kiểu cơ
điện và kiểu tĩnh nối đến các CT và VT bảo vệ, mỗi rơ le chỉ đảm nhận một chức
năng bảo vệ riêng biệt
+ Chức năng đo đếm điện năng được thực hiện bởi các đồng hồ đo và công tơ
nối đến các CT(Current Transformer) và VT(Voltage Transformer) 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 mạch điều khiển riêng lẻ và chỉ có
thể thực hiện được ở mức điều khiển cơ bản;
+ Giao diện người sử dụng thực hiện bằng các bảng điều khiển thông qua các
công tắc điều khiển.
Các thiết bị trong hệ thống được lắp đặt trong các tủ điện và kết nối với nhau
bằng cáp thứ cấp(cáp nhiều sợi) đi trong các rãnh cáp.Hệ thống điều khiển kiểu
truyền thống mặc dù có những ưu điểm như: công nhân có khả năng vận hành và
bảo trì hệ thống, độ tin cậy của hệ thống đã được chứng minh trong hàng trăm năm

qua, việc kết nối giữa các thiết bị trong cùng một hệ thống rất đơn giản. Tuy nhiên
hiện nay chúng đã bộc lộ những nhược điểm như:
• Hệ thống phức tạp do có quá nhiều thiết bị, quá nhiều dây dẫn đưa đến khả
năng bị sự cố trên hệ thống thứ cấp 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.

HV Đàm Xuân Đông

- 147 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

• Thời gian thao tác chậm, khả năng nhầm 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 điện, đồng thời do độ phức tạp của sơ đồ lưới
điện ngày một gia tăng đòi hỏi các thao tác điều khiển ngày cáng phức tạp, khả
năng đáp ứng các yêu cầu trên của hệ thống điều khiển kiểu truyền thống là không
thể thực hiện được.
Vào đầu những năm 1990 các trạm biến áp bắt đầu sử dụng các rơ le số thay
thế cho các rơ le cơ điện và rơ le tĩnh, các rơ le số này dựa trên nền bộ xử lý bắt đầu

có những chức năng vượt trội so với các rơ le thế hệ cũ 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 về tốc độ và sức
mạnh 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 lọai rơ le do các hãng khác nhau chế tạo, điều này
làm cho không thể kết nối giữa các rơ le khác nhau trong cùng một trạm biến áp,
nếu chúng do các hãng khác nhau chế tạo, và giữa các trạm biến áp với nhau trong
một hệ thống điện. Thậm chí việc kết nối giữa các thế hệ rơ le khác nhau do cùng
một nhà sản xuất cũng không thể thực hiện được, hoặc chỉ thực hiện được với một
phí tổn 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 năng vận hành độc lập. Rất nhiều các giao thức truyền thông được sử dụng
trong việc giám sát điều khiển xa trạm biến áp, các giao thức phổ biến như Modbus,
UCA 2.0, DNP3 và IEC 61870. Các giao thức trên không có sự tương đồng
(Interoperability) hoàn toàn khi được cung cấp bởi các hãng khác nhau, đồng thời
hạn chế về tốc độ xử lý nên việc xây dựng các ứng dụng tự động hoá trạm trên nền
tảng các giao thức truyền thống khá khó khăn. Trên cơ sở kiến trúc truyền thông đa

HV Đàm Xuân Đông

- 148 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

dụng UCA 2.0, từ năm 2003 tổ chức kỹ thuật điện quốc tế IEC ban hành phiên bản
đầu tiên về tiêu chuẩn truyền thông IEC 61850.
Thiết bị điện tử thông minh (IED) là từ được sử dụng trong ngành công
nghiệp điện để mô tả những thiết bị dựa trên nền bộ xử lý dùng để điều khiển các
thiết bị sơ cấp thuộc hệ thống điện như: Máy cắt, cầu dao, máy biến áp và tụ bù ….
IED nhận tín hiệu từ CT, VT và từ các bộ cảm biến lắp trên thiết bị sơ cấp, từ các
tín hiệu này, IED có thể phát hiện các tình trạng bất thường hoặc sự cố xảy ra trên
hệ thống điện thuộc phạm vi chúng quản lý để ra các lệnh điều khiển như cắt máy
cắt để cô lập vùng sự cố.
Các dạng thường sử dụng của IED là các rơ le bảo vệ, bộ điều khiển OLTC,
bộ điều khiển máy cắt, bộ điều khiển tự đóng lại, bộ điều khiển tụ bù, bộ điều áp,
thiết bị đo…Phần lớn các rơ le số được chế tạo hiện nay là các IED. Nguyên nhân
chủ yếu là do sự phát triển của công nghệ chế tạo bộ xử lý, một rơ le 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 đóng lại, tự giám sát…, chức năng ghi nhận sự cố, sự kiện, nhiễu
lọan trên hệ thống điện, chức năng truyền dữ liệu…Được gọi là thiết bị điện tử
thông minh (IED).

Hình 1.1 Tự động hóa trạm theo tiêu chuẩn IEC 61850

HV Đàm Xuân Đông

- 149 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

1.1.2 Các tiêu chuẩn đã được sử dụng trước đây.

1.1.2.1 Tiêu Chuẩn IEC 60870 ( Standard for a communication protocol that
supports basic telecontrol tasks – Tiêu chuẩn về giao thức truyền thông hỗ trợ
cho điều khiển từ xa)
IEC 60870 là một tiêu chuẩn quốc tế cung cấp các quy tắc cho việc truyền
thông và điều khiển từ xa giữa các trạm.Các nguyên tắc này được sử dụng để điều
khiển từ xa giao thức truyền thông. Mỗi trạm riêng biệt sử dụng giao thức này, có
thể được thu nhập thông số( trong một hệ thống lắp đặt nối tiếp) trong việc điều
khiển và giám sát từ xa hoạt động của thiết bị trong hệ thống phân phối điện từ xa,
từ một trạm trung tâm. Giao thức này được xác định theo điều kiện tham chiếu đến
một phiên bản đơn giản của mô hình tham chiếu cơ sở( Basic Reference Model –
ISO 7498) cho hệ thống nối tiếp.
Mô hình tham chiếu:
Mô hình tham chiếu cơ sở được chia thành 7 lớp. Ba lớp trên được nối trực
tiếp với các bản tin ứng dụng hiện tại được gửi đi giữa các trạm. Bốn lớp dưới được
nối với các phương thức được sử dụng để truyền các bản tin này giữa các trạm.
Các phương thức tham chiếu đơn giảm dùng trong tiêu chuẩn IEC 60870-5-101( và
các giao thức của tiêu chuẩn khác) có ít lớp hơn, bởi một vài hỗ trợ cho tất cả 7 lớp
là không cần thiết và các điều kiện thuận lợi nâng cao công việc đã được đáp ứng.
Vì vậy mô hình này thường được gọi là mô hình cấu trúc hiệu quả nâng cao(EPA Enhanced Performance Architecture ).
Mỗi trạm được cài đặt thực hiện các nhiệm vụ ứng dụng ở địa phương mình
được gọi là giao thức ứng dụng (Application Processes). Ví dụ trạm trung tâm (
Điều khiển) có thể điều khiển bằng bàn phím hoặc màn hình hoặc các giao diện
thiết bị điều khiển khác và quản lý cơ sở dữ liệu bao gồm tất cả thông tin về sự cài
đặt như thay đổi các giá trị đo đạt được từ các trạm ở xa.
Mỗi trạm ở xa có thể dùng giao thức ứng dụng để quét, đọc và lưu trữ các giá
trị đo ở địa phương và thực hiện hoạt động điều khiển ở địa phương ...Truyền thông

HV Đàm Xuân Đông

- 150 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

giữa các giao thức ứng dụng trong trạm trung tâm hoặc các trạm từ xa thực hiện
theo giao thức truyền thông.
Hình 1.2 thể hiện hai trạm truyền thông sử dụng mô hình EPA(Enhanced
Performance Architecture). Mỗi trạm có một ngăn xếp các lớp giao thức cung cấp
dịch vụ truyền thông tới giao thức ứng dụng của trạm ở phía trên và truy cập đến
đường truyền chung ở phía dưới.
TRẠM A

TRẠM B

TẦNG ỨNG DỤNG

TẦNG ỨNG DỤNG

(7)

(7)

GIAO DIỆN LIÊN KẾT

GIAO DIỆN LIÊN KẾT

TẦNG LIÊN KẾT

TẦNG LIÊN KẾT

(2)

(2)

GIAO DIỆN VẬT LÝ

GIAO DIỆN VẬT LÝ

TẦNG VẬT LÝ

TẦNG VẬT LÝ

(1)

(1)
MẠNG TRUYỀN DẪN

Hinh 1.2 Hệ thống trạm truyền thông sử dụng mô hình EPA
Dữ liệu được tiếp nhận tại đỉnh của ngăn xếp trong một trạm( Ví dụ trạm A )
và được truyền xuống phía dưới của ngăn, nhận trong mỗi lớp dữ liệu cần thiết cho
việc điều khiển và hoạt động của giao thức, sau đó nó được hiện ra dưới dạng chuỗi
ở phía dưới và được truyền sang trạm khác(Trạm B), tại đây dữ liệu được đưa vào
cuối ngăn xếp. Dữ liệu được đưa lên ngăn xếp và được điều khiển trả lại giá trị ban
đầu ở phía trên của trạm B.
Phương thức này được gọi là truyền thông “peer to peer” bởi tất cả các dữ
liệu bắt đầu trong một lớp riêng biệt được truyền đến các lớp như nhau trong một
trạm xa.

HV Đàm Xuân Đông

- 151 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

Phương thức này được sử dụng để xác định một giao thức trong một phương pháp
phức tạp. Trong thực tế, giao thức này có thể ứng dụng trong tất cả các phương
pháp ở tất cả các nhà cung cấp, mà từ các trạm ở phía ngoài có thể thực hiện một
cách chính xác bởi mô hình này. Do đó, giao thức này có yêu cầu tối thiểu trên phần
cứng và phần mềm sử dụng trong trạm. Điều này cho phép các trạm được chọn theo
tiêu chí kinh tế hoặc các lợi ích ứng dụng khác.
Các lớp giao diện giới thiệu trong giao thức ngăn xếp trên không được áp
dụng trong một trạm thực tế. Tuy nhiên giao diện vật lý vẫn thường được sử dụng
trong các MODEM khác nhau. Giao diện liên kết cần thiết được đưa ra nếu nó được
yêu cầu để bổ sung cho lớp phần mềm ứng dụng và lớp liên kết các phần mềm khác
nhau.
Cấu trúc bản tin: Một chuỗi bản tin có cấu trúc lồng, nó lấy từ lớp cấu trúc giao
thức, được mô tả dưới đây.
Tất cả trường dữ liệu trong hình tồn tại dưới dạng chuỗi byte của một hoặc nhiều
byte.
Start
S

L

End

L

S

C

A

ASDU

CS

E

APDU
APDU

LPCI
LPDU
Hình 1.3 Lớp cấu trúc giao thức

ASDU(Application Service Data Unit) là một khối dữ liệu được gửi từ giao thức
ứng dụng trong một trạm đến giao thức ứng dụng trong một trạm khác. Theo mô
hình EPA(Enhanced Performance Architecture), đưa một vài APCI(Application
Protocol Control Information) vào ASDU thành APDU(Application Protocol Data
Unit), tuy nhiên APCI không cần thiết trong giao thức 60870-5 nên APDU là
ASDU. Lớp liên kết đưa thêm LPCI(Link Protocol Control Information) vào APDU
được LPDU(Link Protocol Data Unit). Trong lúc thêm vào mối Byte dữ liệu trong

HV Đàm Xuân Đông

- 152 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

LPDU được truyền như một chuỗi đồng bộ bắt đầu/ kết thúc có một bít start(value =
0), 8 bít dữ liệu (bye dữ liệu), một bít chắn và một bít stop (value = 1). LPDU được
truyền như một khung liên tiếp mà không có đường phân biệt giữa các đặc tính
không đồng bộ.
Giao thức này chỉ rõ ràng, để truyền với tốc độ trên 1200bits/s, lớp vật lý có
thể chuyển đổi mỗi bít được truyền trực tiếp trong một hoặc hai tần số, được đưa ra
ở dạng nhị phân. Kiểu mẫu của mô hình này được gọi là Frequency Shirt
Keying(FSK) và đồng bộ, không bộ nhớ. Nó phù hợp với hầu hết các tần số tiếng
nói, các kênh tương tự trên đường truyền hẹp , đường điện hoặc truyền thông radio.
Cấu trúc tổng thể:
Cấu trúc LPDU được thể hiện trên hình 1.2, cung cấp toàn bộ dữ liệu rất
nhanh.
Cấu trúc này bao gồm hai phần, nó có thể được gọi là “header” và “ body”. Phần
header gồm các tính chất của S+L+L+S và phần body gồm các tính chất còn lại.
Việc sử dụng các tầng liên kết và tầng vật lý
Như đã miêu tả trên, mỗi LPDU chứa ASDU và được truyền đi bằng cách sử dụng
modul SFK trên kênh tín hiệu giữa các trạm.
Giao thức được sử dụng kết nối trực tiếp các mạch dữ liệu giữa các trạm
trung tâm và các trạm ngoại vi bằng cách sử dụng các địa chỉ khác nhau để xác định
từng trạm ngoại vi cụ thể. Điều đó thông thường được hoạt động trong chế độ bán
song công trong một kênh đơn lẻ, việc gửi và nhận ở mỗi trạm ngoại vi bằng cách
sử dụng các phương thức truyền thông không cân bằng cho các giao thức tầng kết

nối( Hình 1.4)
Trạm
trung tâm

Trạm ngoài

Trạm ngoài

Trạm ngoài

Hình 1.4 Giao thức kết nối truyền thông

HV Đàm Xuân Đông

- 153 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

Các kết nối song công cụ thể tới một vài hoặc tất cả các trạm ngoại vi với một kênh
V.F đơn lẻ cho mỗi hướng truyền thông trong mỗi kết nối. Các kết nối đơn lẻ cho
phép truy cập dữ liệu cân bằng cho giao thức tầng kết nối bằng cách gửi dữ liệu
đồng thời cho cả hai hướng( hình 1.5)
Trạm trung tâm

Trạm ngoài

Trạm ngoài

Trạm ngoài

Hình 1.5 Giao thức tầng kết nối truyền thông
Giao thức cung cấp các chức năng tầng kết nối để hỗ trợ cho việc truy cập dữ liệu
cân bằng và không cân bằng, tuy nhiên trong thực tế( bao gồm cả mức chi phí cao)
có thể giới hạn việc mở rộng khi đó các kết nối song công cân bằng được sử dụng.
Các cung cấp của tầng ứng dụng
Tầng ứng dụng bao gồm các phần dưới đây, trong các tiến trình ứng dụng ở
mỗi trạm được liên kết với việc giao tiếp với các tiến trình ứng dụng trong một trạm
ở xa. Các phần đó được xem như tiến trình người dùng trong chuẩn IEC 69870-5101, chuẩn định nghĩa hai tập thuộc tính của giao thức ứng dụng.
Các chức năng ứng dụng
- Khởi tạo hàm
- Truy vấn dữ liệu
- Truyền dữ liệu theo vòng
- Truy vấn sự kiện, đồng bộ hóa đồng hồ
- Truyền lệnh
- Đọc tham số
- Kiểm tra chức năng
- Truyền file chỉ ra một vài kiểu khác nhau
- Tiếp nhận độ trễ thời gian truyền

HV Đàm Xuân Đông

- 154 -

Khóa học 2009 - 2011


Luận văn cao học

Các đơn vị dịch vụ dữ liệu ứng dụng
Giao thức chỉ ra một vài kiểu khác nhau của ASDU tương ứng phù hợp với tầng
ứng dụng, tuy nhiên tất cả đều có chung một định dạng chuẩn chỉ ra dưới đây.
T

Q

C

CA

OA

IE

TT

OA

I01

IE

I0n

Hình 1.6 Dạng định chuẩn của ASDU
T = định kiểm( 1 byte)
Q = bộ định lượng cấu trúc biến đổi. Chỉ ra số lượng thông tin đối tượng trong một
thông tin đối tượng đơn lẻ.

C = nguyên nhân của việc truyền tin ( 1 hoặc 2 byte dữ liệu, cố định trong việc cài
đặt).
CA = địa chỉ chung( 1 hoặc 2 byte dữ liệu, cố định trong việc cài đặt). Phân biệt sự
khác nhau giữa địa chỉ trạm và địa chỉ của từng bộ phận trong trạm
OA = địa chỉ thông tin đối tượng ( 1,2 hoặc 3 byte dữ liệu, cố định trong việc cài
đặt).
IE = bộ các phần tử thông tin ( chỉ rõ cho kiểu của ASDU chỉ rõ trong trường T)
TT = thời gian ghi tên của đối tượng thông tin ( nếu đặt trong cho kiểu của ASDU
thì chỉ rõ trong trường T).
Sử dụng giao thức
Giao thức này phần lớn được nối với dữ liệu đã được tiêu chuẩn hóa mà các
nhà cung cấp trạm khác nhau có thể đáp ứng cho việc cài đặt hệ thống điều khiển từ
xa một cách riêng biệt, để đảm bảo việc thao tác giữa các phần trong trạm.
Các thông số được liên kết với giao diện lớp liên kết trong các trạm không được chỉ
rõ trong tiêu chuẩn này, bởi vì tiêu chuẩn này không được nối với cấu trúc phần
mềm tiêu chuẩn được sử dụng để chạy giao thức truyền thông.

HV Đàm Xuân Đông

- 155 -

Khóa học 2009 - 2011

TT


Luận văn cao học

Tiêu chuẩn này cho phép sử dụng lắp đặt điều khiển từ xa để chỉ rõ( lựa chọn) chiến
lược hệ thống riêng, nhằm cung cấp các giao thức để giải quyết các vấn đề trong hệ

thống và đảm bảo về mặt kinh tế, vận hành và các ràng buộc về kỹ thuật.
1.1.2.2 Tiêu chuẩn DNP3.0 (Distributed Network Protocol - giao thức mạng
phân tán)

Hình 1.7 Truyền thông dữ liệu theo tiêu chuẩn DNP 3.0
DNP3(Distributed Network Protocol 3) được phát triển bởi Harris, một nhà
phân phối sản phẩm tự động hóa ở Calgary-Alberta-Canada vào năm 1990. DNP3
đã chiếm lĩnh được thị trường. Sự phát triển của giao thức mạng phân phối(DNP) là
một trong những nỗ lực tổng thể để đạt được hiệu quả mong muốn dựa trên các tiêu
chuẩn trong việc kết nối hệ thống máy tính trong trạm biến áp, RTUs, IEDs và trạm
chủ (Thiết thực trong hệ thống truyền thông các trạm chủ) cho ngành công nghiệp
điện. Cơ sở của DNP3 là sự kết hợp giao thức của 3 tầng là tầng 1, tầng 2 và tầng 7
của mạng truyền thông ISO/OSI. Nó được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển và
kiểm soát dữ liệu, thu nhập các thông tin trong lĩnh vực truyền tải dữ liệu điện.
Giao thức mạng DNP3 được xây dựng dựa trên nền tảng quy định của tiêu chuẩn
IEC 60870-5 để đáp ứng nhu cầu thị trường.

HV Đàm Xuân Đông

- 156 -

Khóa học 2009 - 2011