Nghiên cứu, thiết kế hệ thống liên động cho rơ le bảo vệ dựa trên truyền thông qua mạng ethernet
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.11 MB, 91 trang )
NGUYỄN TUẤN HÙNG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------
NGUYỄN TUẤN HÙNG
KỸ THUẬT ĐIỆN
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG LIÊN ĐỘNG CHO RƠ LE BẢO
VỆ DỰA TRÊN TRUYỀN THÔNG QUA MẠNG ETHERNET
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN
KHÓA 2014B
Hà Nội – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------
NGUYỄN TUẤN HÙNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG LIÊN ĐỘNG CHO RƠ LE BẢO
VỆ DỰA TRÊN TRUYỀN THÔNG QUA MẠNG ETHERNET
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS.NGUYỄN ĐỨC HUY
Hà Nội – 2017
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng toàn bộ nội dung của bài luận văn này là do tôi thực hiện
dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đức Huy và sự tham khảo các tài liệu có đính kèm
chú thích trong từng mục bên trong luận văn.
Nếu sai với lời cam kết trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả
i
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1
MỞ ĐẦU
1
1.1
Lý do chọn đề tài
1
1.2
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu.
2
1.3
Phƣơng pháp nghiên cứu
2
1.4
Nội dung luận văn
3
CHƢƠNG 2
2.1
MƠ HÌNH TRẠM BIẾN ÁP THEO TIÊU CHUẨN IEC 61850
Quá trình phát triển của các kiểu hệ thống trạm biến áp
4
4
2.1.1 Hệ thống điều khiển kiểu truyền thống
4
2.1.2 Hệ thống điều khiển tích hợp
6
2.2
Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển tích hợp
2.2.1 Cấp trạm
8
9
2.2.2 Cấp xuất tuyến (ngăn lộ)
10
2.2.3 Cấp chấp hành
10
2.3
Thiết bị điện tử thông minh (IED)
CHƢƠNG 3
3.1
10
GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN IEC 61850
Giới thiệu chung IEC 61850
12
12
3.1.1 Lịch sử ra đời
12
3.1.2 Cấu trúc và chức năng truyền thơng của tiêu chuẩn IEC 61850
15
3.1.3 Mơ hình thơng tin trong tiêu chuẩn IEC 61850
16
3.1.4 Mơ hình ứng dụng của LN
17
3.1.5 Mô tả thông tin dữ liệu
19
3.1.6 Các dịch vụ trao đổi thông tin
20
3.1.7 Dịch vụ tổ chức thơng tin, hợp thành giao thức truyền thơng
22
3.1.8 Cấu hình trạm
23
3.1.9 Tóm tắt
24
3.2
Mơ hình theo hƣớng tiếp cận
25
ii
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
3.2.1 Phân tích chức năng ứng dụng và trao đổi thông tin
25
3.2.2 Tạo các mô hình thơng tin từ các thành phần hợp thành
26
3.2.3 Mơ hình trao đổi thơng tin
26
3.3
Ứng dụng của IEC 61850
28
3.3.1 Giới thiệu
28
3.3.2 Mơ hình LN và data
29
3.4
Thiết bị trong IEC 61850
30
3.4.1 Giới thiệu
30
3.4.2 Logical Device
31
3.5
Mơ hình truyền thơng
32
3.5.1 Những dịch vụ của IEC 61850
3.6
32
Mơ hình ảo hóa
35
3.6.1 Cơ chế trao đổi thông tin cơ bản
3.7
35
Xây dựng các khối cho server/client
37
3.7.1 Server
37
3.7.2 Client – server
38
3.8
Ghép nối thiết bị vật lý, mơ hình ứng dụng và truyền thông
39
3.9
Kết hợp ACSI vào hệ thống trao đổi thơng tin thực
42
3.9.1 Giới thiệu
42
3.9.2 Ví dụ xếp chồng giá trị tên MMS
43
3.10 Mơ hình lớp dữ liệu
44
3.10.1
Tổng quan
44
3.10.2
Áp dụng
45
3.11 Thiết lập tên
45
3.12 Kết luận
46
CHƢƠNG 4
PHÂN TÍCH BẢN TIN GOOSE TRONG CHUẨN IEC 61850
47
4.1
Giới thiệu về GOOSE
47
4.2
Xây dựng mơ hình truyền nhận bản tin GOOSE
49
4.3
Phân tích bản tin GOOSE
50
iii
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
CHƢƠNG 5
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LIÊN ĐỘNG CHO RƠ LE BẢO VỆ SỬ
DỤNG TIN NHẮN GOOSE
56
5.1
Hệ thống liên động bảo vệ rơ le sử dụng tin nhắn GOOSE
56
5.2
Mơ hình mơ phỏng hệ thống liên động bảo vệ rơ le
58
5.3
Lựa chọn phần cứng cho hệ thống mô phỏng
60
5.3.1 Board Arduino Uno [5]
60
5.3.2 Arduino Mega 2560
62
5.3.3 Máy tạo nguồn dòng
63
5.3.4 Bộ chuyển đổi dòng-áp
64
5.3.5 Modem TP-Link TL-WR740N
65
5.4
Lập trình cho hệ thống
65
5.4.1 Lưu đồ thuật tốn
65
5.4.2 Lập trình cho Arduino UNO - mô tả rơ le xuất tuyến
68
5.4.3 Lập trình cho Arduino MEGA - mơ tả rơ le tổng
71
5.5
Chạy mô phỏng
74
5.5.1 Kết nối phần cứng hệ thống
74
5.5.2 Chạy mô phỏng ở chế độ 1
75
5.5.3 Chạy mô phỏng ở chế độ 2
76
5.5.4 Chạy mô phỏng trong trường hợp mạng LAN bị lỗi
77
CHƢƠNG 6
KẾT LUẬN
79
6.1
Những kết quả đã đạt đƣợc
79
6.2
Những vấn đề còn tồn tại
80
6.3
Hƣớng phát triển trong tƣơng lai
80
TÀI LIỆU THAM KHẢO
81
iv
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Mơ hình hệ thống trạm biến áp kiểu truyền thống ....................................................... 4
Hình 2.2 Hệ thống trạm biến áp tích hợp.................................................................................... 7
Hình 2.3 Các thành phần của một hệ thống điều khiển tích hợp ............................................... 9
Hình 3.1 Mơ hình tổng quan tiêu chuẩn IEC 61850 ................................................................ 13
Hình 3.2 Cấu trúc liên kết của tiêu chuẩn IEC 61850 .............................................................. 15
Hình 3.3 Mơ hình ảo hóa thiết bị điện thơng minh .................................................................. 16
Hình 3.4 Bảng thống kê các nhóm Logical Node .................................................................... 17
Hình 3.5 Thơng tin trong một Logical Node ........................................................................... 18
Hình 3.6 Các Logical Node hợp thành một thiết bị logic ........................................................ 19
Hình 3.7 Cấu trúc hình cây mơ tả thơng tin vị trí của một máy cắt ......................................... 20
Hình 3.8 Phân tích dịch vụ kiểm tra trạng thái máy cắt........................................................... 21
Hình 3.9 Ví dụ về một tổ chức truyền thơng ........................................................................... 22
Hình 3.10 Tóm tắt tổng qt chuẩn IEC 61850 ....................................................................... 24
Hình 3.11 Quá trình chia nhỏ và hợp thành một Logical Node. .............................................. 25
Hình 3.12 Mơ tả thơng tin của một máy cắt (XCBR) .............................................................. 26
Hình 3.13 Mơ hình đầu vào và đầu ra...................................................................................... 27
Hình 3.14 Mơ hình liên kết với thiết bị thật ............................................................................ 28
Hình 3.15 Logical Note và data ............................................................................................... 29
Hình 3.16 Ví dụ về 1 IED Bay unit. ........................................................................................ 30
Hình 3.17 Mơ hình liên kết các logical node ............................................................................ 31
Hình 3.18 Mơ hình thiết bị logic (Logical Device) ................................................................. 31
Hình 3.19 Mơ hình Logical Device và LLN0/LPHD ............................................................... 32
Hình 3.20 Phương pháp truyền thơng ACSI ............................................................................ 33
Hình 3.21 Mơ tả một số mơ hình dịch vụ ................................................................................ 35
Hình 3.22 Mơ hình ảo hóa thiết bị thực ................................................................................... 35
Hình 3.23 Lớp ứng dụng của mơ hình GSE ............................................................................ 36
v
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
Hình 3.24 Sơ đồ khối của server .............................................................................................. 37
Hình 3.25 Quá trình giao tiếp giữa server và client ................................................................. 38
Hình 3.26 Ví dụ về một dịch vụ............................................................................................... 39
Hình 3.27 Cấu trúc thành phần các mơ hình tiếp cận .............................................................. 40
Hình 3.28 Ghép lớp ACSI và chồng giao thức ........................................................................ 42
Hình 3.29 Xếp chồng giá trị tên MMS .................................................................................... 43
Hình 3.30 Mơ hình tóm tắt dữ liệu trong IEC 61850-7-X. ...................................................... 44
Hình 3.31 Mơ hình tên tham khảo theo tiêu chuẩn .................................................................. 45
Hình 3.32 Mơ hình định nghĩa tên của thiết bị máy cắt........................................................... 46
Hình 4.1 Mơ hình trao đổi thơng tin giữa các IED sử dụng bản tin GOOSE .......................... 47
Hình 4.2 Quá trình publish/subscribe dữ liệu .......................................................................... 48
Hình 4.3 Mơ hình tập trung dữ liệu của IEC 61850 ................................................................ 49
Hình 4.4 Mơ hình truyền nhận bản tin GOOSE ...................................................................... 50
Hình 4.5 Bản tin GOOSE thu được từ phần mềm Wireshark.................................................. 51
Hình 4.6 Lớp Ethernet của bản tin GOOSE ............................................................................. 51
Hình 4.7 Một số thơng tin của bản tin GOOSE ....................................................................... 52
Hình 4.8 Thơng tin nội dung bản tin GOOSE ......................................................................... 53
Hình 4.9 Các thơng số Interlock trong bản tin GOOSE .......................................................... 54
Hình 5.1 So sánh mơ hình truyền thống và mơ hình sử dụng tin nhắn GOOSE. .................... 57
Hình 5.2 sơ đồ một sợi của hệ thống rơ le bảo vệ trạm phân phối. ......................................... 58
Hình 5.3 Sơ đồ khối hệ thống mơ phỏng liên động cho rơ le bảo vệ ...................................... 59
Hình 5.4 Máy tạo nguồn dịng ................................................................................................. 64
Hình 5.5 Thiết bị chuyển đổi dịng-áp ..................................................................................... 64
Hình 5.6 Lưu đồ thuật tốn publish Goose ............................................................................. 66
Hình 5.7 Lưu đồ thuật tốn subscriber Goose ......................................................................... 67
Hình 5.8 Phần cứng sau khi đã kết nối xong .......................................................................... 74
Hình 5.9 hai board Arduino truyền nhận bản tin goose .......................................................... 75
Hình 5.10 Máy cắt B được cắt khi phát hiện ra sự cố............................................................... 76
Hình 5.11 Máy cắt A được cắt khi phát hiện ra sự cố ............................................................. 77
vi
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
Hình 5.12 Hai board Arduino khơng cịn truyền nhận bản tin ............................................... 78
Hình 5.13 Máy cắt B cắt khi phát hiện sự cố .......................................................................... 78
vii
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Viết tắt
Chữ đầy đủ tiếng Anh
Ý nghĩa tiếng Việt
CT
Curent Transfomer
Máy biến dòng
VT
Voltage Transfomer
Máy biến áp
BI
Binary Input
Đầu vào số
IED
Intelligent Electronic Devices
Thiết bị điện thông minh
HMI
Human Machine Interface
Giao diện người dùng
LAN
Local Area Network
Mạng cục bộ.
Supervisory Control And Data
Hệ thu thập dữ liệu và điều
Acquisition
khiển có giám sát
OLTC
On Load Tap Changer
Bộ chuyển nấc dưới tải
LN
Logical Node
Nút logic
LD
Logical Device
Thiết bị logic
SCADA
SCSM
MMS
ACSI
SCL
XML
GOOSE
GSE
Specific Communication Service Dịch vụ tập trung truyền thông
Mapping
cụ thể
Manufacturing Message
Đặc điểm tin nhắn của nhà sản
Specification
xuất
Abstract Communication Service Dịch vụ giao tiếp truyền thơng
trừu tượng
Interface
Substation Configuration
Ngơn ngữ cấu hình trạm
Language
Extensible Mark-up Language
Cấu trúc ngơn ngữ đánh dấu có
thể mở rộng
Generic Object Oriented
Bản tin sự kiện trạm hướng đối
Substation Event
tượng
Generic Substation Event
Mơ hình sự kiện trạm
viii
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
Chƣơng 1 MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài
Hiện nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng các cơng nghệ
điều khiển tích hợp trong trạm biến áp truyền tải và phân phối đang là xu hướng chung
của thế giới, nhằm mục đích nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện và giảm chi phí
đầu tư cũng như chi phí vận hành. Hệ thống tự động hóa trạm biến áp (Substation
Automation - SA) là hệ thống cho phép giám sát, điều khiển phối hợp các thiết bị phân
tán trong trạm điện, dựa trên mơ hình trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị điện thông minh
(Intelligent Electronic Device - IED) và các bộ thu thập xử lý dữ liệu tốc độ cao
(Remonte Terminal Unit - RTU). Do đó vấn đề truyền thông giữa IED với trung tâm
điều khiển và các IED với nhau trở nên rất quan trọng trong việc thực hiện tự động hóa
trạm. Hiện nay, có rất nhiều giao thức truyền thông đã đang được sử dụng trong việc
giám sát, điều khiển trạm biến áp, phổ biến nhất là Modbus, DNP3, IEC6870,… Tuy
nhiên các giao thức trên khơng có sự tương đồng hồn tồn khi được cung cấp bởi các
nhà sản xuất khác nhau, đồng thời hạn chế về tốc độ xử lý nên việc xây dựng các ứng
dụng tự động hóa trạm trên nền tảng các giao thức này là rất khó khăn.
Sự ra đời của tiêu chuẩn IEC 61850 vào năm 2003 đã đem đến những bước phát
triển tích cực cho các ứng dụng tự động hóa trạm. Tiêu chuẩn IEC 61850 cho phép tích
hợp tất cả các chức năng bảo vệ, điều khiển, đo lường và giám sát truyền thống của
trạm biến áp, đồng thời nó có khả năng cung cấp các ứng dụng bảo vệ và điều khiển
phân tán, chức năng liên động và giám sát phức tạp. Trên nền tảng giao thức truyền
thông IEC 61850, các hệ thống SA sẽ tăng tính linh hoạt, tăng khả năng tương đồng
giữa các thiết bị trong trạm, đơn giản hóa việc thiết kế phần cứng, giảm chi phí lắp đặt,
hạn chế lỗi và việc vận hành bằng tay của con người. Do vậy, hiện nay IEC 61850
đang là tiêu chuẩn được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng tự động hóa trạm.
1
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
Trong chuẩn IEC 61850, GOOSE là một kiểu tín hiệu thường được sử dụng khi
các IED trao đổi dữ liệu với nhau. GOOSE cho phép thiết bị phát tán tín hiệu cảnh báo
khi có sự cố trong trạm điện, nó giúp các thiết bị bảo vệ nhận biết được sự cố để phối
hợp bảo vệ một cách hiệu quả nhất.
Sau quá trình nghiên cứu, phân tích tiêu chuẩn IEC 61850 và những ứng dụng
của nó trong trạm biến áp cũng như ứng dụng sử dụng tín hiệu GOOSE để phối hợp
bảo vệ hệ thống điện, đề tài được chọn là : “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống liên động
cho rơ le bảo vệ dựa trên truyền thơng qua mạng Ethernet”.
1.2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu.
Thông qua đề tài nhằm tìm hiểu cơ chế hoạt động của các trạm biến áp tự động theo
tiêu chuẩn IEC 61850. Đồng thời nghiên cứu, tìm hiểu những giao thức truyền dữ liệu
hay các mơ hình hoạt động trong tiêu chuẩn IEC 61850. Kết quả của đề tài có thể sử
dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành hệ thống điện, kỹ thuật đo, tự
động hóa.
Đề tài tập trung phân tích chi tiết bản tin GOOSE trong chuẩn IEC 61850 và cách thức
phối hợp hoạt động của các thiết bị điện thơng minh sử dụng GOOSE. Mơ hình mơ
phỏng hoạt động liên động bảo vệ rơ le sử dụng mạng Ethernet thay cho kết nối dây
thông thường giúp hiểu rõ hơn về cơ chế truyền thông theo chuẩn IEC 61850. Đây là
cơ sở để cấu hình được các IED trong trạm có thể trao đổi thơng tin với nhau qua mạng
Ethernet, sử dụng IEC 61850, bước đầu xây dựng trạm biến áp tự động áp dụng chuẩn
IEC 61850.
1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu
Để giải quyết các vấn đề trên, luận văn đưa ra một số phương pháp nghiên cứu như
sau:
2
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
-
Đọc và tìm hiểu về tiêu chuẩn IEC 61850 dựa trên các tài liệu gốc từ trang web
www.iec.ch
-
Nghiên cứu giải pháp về tự động hóa trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEC 61850
của các hãng lớn như ABB.
-
Nghiên cứu sử dụng các phần mềm TMW IEC 61850 Test Suite để đọc file cấu
hình từ thiết bị điện thông minh, xây dựng cách truyền nhận bản tin GOOSE giữa các
phần mềm này, từ đó phân tích bản tin GOOSE.
-
Nghiên cứu tính năng của các rơ le bảo vệ sử dụng chuẩn IEC 61850 để lựa
chọn vi xử lý phù hợp, có thể mơ phỏng lại chức năng của các rơ le này.
-
Tìm hiểu bài tốn liên động cho rơ le bảo vệ sử dụng kết nối kiểu truyền thống
để xây dựng mơ hình mơ phỏng với kết nối thông qua mạng ethernet.
1.4 Nội dung luận văn
Sau một thời gian nghiên cứu, dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Đức Huy,
bài luận văn đã được hoàn thành, giải quyết được những vấn đề đã đặt ra. Cấu trúc của
luận văn gồm các phần như sau:
Chương 2: Mơ hình trạm biến áp tích hợp chuẩn IEC 61850
Chương 3: Giới thiệu chuẩn IEC 61850
Chương 4: Phân tích bản tin GOOSE trong chuẩn IEC 61850
Chương 5: Mô phỏng hệ thống liên động cho rơ le bảo vệ sử dụng tin nhắn Goose.
3
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
Chƣơng 2 MƠ HÌNH TRẠM BIẾN ÁP THEO TIÊU CHUẨN IEC 61850
2.1 Quá trình phát triển của các kiểu hệ thống trạm biến áp
2.1.1 Hệ thống điều khiển kiểu truyền thống
Hình 2.1 Mơ hình hệ thống trạm biến áp 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.
4
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
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:
-
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 lẻ 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.
-
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, 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 xuất hiện một số nhược điểm như:
-
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.
5
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
-
Việc thu thập dữ liệu phải thực hiện bằng tay, độ chính xác khơng 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.
2.1.2 Hệ thống điều khiển tích hợp
Hệ thống điều khiển tích hợp tự động hóa trạm biến áp - Integrated Substation
Automation Control System hay Integrated Control System – viết tắt là ICS [2]. Đây hệ
thống điều khiển tự động dựa trên cơ sở một hệ thống máy tính được áp dụng tại các
trạm biến áp của 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.
So với trạm biến áp truyền thống, một trạm biến áp thông minh được đặc trưng
bởi ba đặc tính cơ bản:
-
Tất cả các máy móc chính trạm biến áp (thiết bị chuyển mạch, máy biến áp)
được thiết kế với một mức độ tương đối cao của các thiết bị thông minh.
-
Tất cả các thiết bị thứ cấp đều được nối mạng.
-
Tất cả các hoạt động và quản lý thường xuyên được hoàn toàn tự động.
6
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
Nhu cầu của các ứng dụng thông minh trạm biến áp cho truyền thông dữ liệu
quy mơ lớn địi hỏi một nền tảng truyền thơng kỹ thuật số và dựa trên mạng để bỏ đi
những kết nối bằng cáp truyền thống.
Hình 2.2 Hệ thống trạm biến áp tích hợp
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
7
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
những chức năng vượt trội so với các rơ le thế hệ trước đây, tuy nhiên việc tự động hóa
và tích hợp cịn 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 khả năng
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 loại 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 khơng 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 hệ
thống tự động nhỏ, độc lập, do khơng có khả năng liên kết về thơng tin với nhau, chúng
chỉ có khả năng vận hành độc lập. Tất cả những hạn chế trên đã được khắc phục khi
xuất hiện các IED và chuẩn IEC 61850.
2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển tích hợp
Hệ thống điều khiển tích hợp gồm các thành phần chính sau:
8
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
Hình 2.3 Các thành phần của một hệ thống điều khiển tích hợp
2.2.1 Cấp trạm
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 tồn bộ bằng máy tính. Máy tính trạm được lắp đặt trong
phịng 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:
-
Kết nối truyền thông với trung tâm điều độ lưới từ xa.
9
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
-
Kết nối truyền thông với các thiết bị cấp xuất tuyến.
-
Quản lý sự kiện và cảnh báo.
-
Theo dõi, giám sát hoạt động.
-
Đánh giá và phân tích dữ liệu
2.2.2 Cấp xuất tuyến (ngăn lộ)
Cấp xuất tuyến bao gồm các IED được lắp đặt tại các tủ điều khiển ngồi trời
hay trong phịng 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.
2.2.3 Cấp chấp hành
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 chỗ bởi tủ truyền động điện.
2.3 Thiết bị điện tử thông minh (IED)
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 nhất thứ
thuộc hệ thống điện như : máy cắt, cầu dao, máy biến áp và tụ bù ….
10
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
IED nhận tín hiệu từ CT, VT và từ các bộ cảm biến lắp trên thiết bị nhất thứ, 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 sá, chức năng ghi nhận sự cố, sự kiện, nhiễu lọan trên hệ thống
điện, chức năng truyền dữ liệu…
11
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
Chƣơng 3 GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN IEC 61850
3.1 Giới thiệu chung IEC 61850
3.1.1 Lịch sử ra đời
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 cấu hình cho các IED nhằm
thực hiện các chức năng trong trạm như: bảo vệ, điều khiển, đo lường, giám sát và
truyền thơng. Ngồi 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 ngơn ngữ truyền
thơng 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 được minh họa trên hình 3.1, gồm
những phần sau:
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 q trình kỹ thuật.
Phần 5: Mơ 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.
12
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
Hình 3.1 Mơ hình tổng quan tiêu chuẩn IEC 61850
Phần 6: Mô tả ngôn ngữ để cấu hình trạm, thơng tin liên lạc liên quan đến cấu hình
IED và thơng 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 mơ hình, các ngun tắc truyền thơng và mơ
hình thơng tin trong IEC 61850.
-
Phần 7.2: Giới thiệu về dịch vụ giao diện truyền thông trừu 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 Logical Node dùng cho việc truyền thông giữa
các IED.
13
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
Phần 8: Cách xác định các dữ liệu cần đáp ứng nhanh về thời gian để có thể trao đổi
thơng 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 thơng cho q trình
truyền các giá trị mẫu.
-
Phần 9.2: Định nghĩa SCSM trong truyền các giá trị mẫu theo đặc tính truyền
thơng 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 q trình tự động hóa
các trạm, là một bước tiến lớn hướng đến việc đơn giản hóa q trình ứng dụng và kết
nối các IED từ nhiều hãng khác nhau.
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.
-
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,…
14
Luận văn cao học
Nguyễn Tuấn Hùng
-
Tăng độ tin cậy và an tồn trong cung cấp điện.
-
Giảm được chi phí lắp đặt cáp nhị thứ
3.1.2 Cấu trúc và chức năng truyền thơng của tiêu chuẩn IEC 61850
Hình dưới đây thể hiện cấu trúc liên kết của tiêu chuẩn IEC 61850
Hình 3.2 Cấu trúc liên kết của tiêu chuẩn IEC 61850
-
Đầu tiên sẽ lấy giá trị mẫu từ những biến dòng và biến áp để truyền đến các
relay. (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
thơng qua mạng ineternet đến các thiết bị trong trạm. (3).
15
