Nghiên cứu hệ thống scada và các ứng dụng của thông tin trong đo lường điều khiển hệ thống điện

TRẦN LÊ PHƯƠNG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG SCADA VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA
THÔNG TIN TRONG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

TRẦN LÊ PHƯƠNG

2003 - 2005
Hà Nội
2005

HÀ NỘI 2005


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG SCADA VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA
THÔNG TIN TRONG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN
MÃ SỐ: 02.06.07

TRẦN LÊ PHƯƠNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÃ VĂN ÚT

HÀ NỘI 2005


LỜI NÓI ĐẦU

Sự hoạt động và phát triển của ngành Điện lực có liên quan và ảnh hưởng
trực tiếp đến nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác của nền kinh tế quốc dân. Vì
vậy mà việc xây dựng một hệ thống điện vận hành an tồn, ổn định ln là
mục tiêu của mọi cơng ty điện lực cũng như của tồn bộ EVN. Đóng góp vào
mục tiêu đó khơng thể khơng nhắc tới việc tạo dựng hệ thống mạng thông tin
điện lực nói chung và mạng thơng tin trong điều độ nói riêng đủ mạnh, đủ
hiện đại.
Luận văn này sẽ đi sâu “Nghiên cứu hệ thống SCADA và các ứng dụng
của thông tin trong đo lường điều khiển hệ thống điện”.
Trong quá trình thực hiện luận văn, cùng với sự nỗ lực của bản thân, tôi vô
cùng biết ơn sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè, cơ quan làm việc và các Trung
tâm Điều độ.
Xin được đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn,
GS.TS Lã Văn Út, bộ môn Hệ thống điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Xin được cảm ơn Trung tâm Điều độ-Thông tin công ty Điện lực Hà Nội đã
giúp đỡ tôi cả về thời gian và điều kiện làm việc thực tế trong q trình thực
hiện luận văn.
Tơi cũng muốn cảm ơn Trung tâm đào tạo sau đại học-Đại học Bách Khoa

Hà Nội vì sự giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt khố học này.
Cuối cùng, tơi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cơ, các chuyên gia
trong lĩnh vực SCADA và các bạn bè đồng nghiệp.
Hà Nội 11/2005
Trần Lê Phương


MỤC LỤC
Lời nói đầu

ix

Danh mục các thuật ngữ

ix

Danh mục các bảng biểu

ix

Danh mục các hình vẽ

ix

Mở đầu

ix

Chương 1 Thơng tin trong hệ thống điện và những khái niệm cơ bản

1

1.1 Vấn đề khai thác và sử dụng thông tin trong hệ thống điện

1

1.1.1

Tầm quan trọng của thông tin trong hệ thống điện

1

1.1.2

Tạo dựng cơ sở dữ liệu

2

1.1.3

Phân tích cơ sở dữ liệu

5

1.1.4

Phản ứng đối với cơ sở dữ liệu

7

1.2 Hệ thống thông tin phục vụ đo lường và điều khiển HTĐ

8

1.2.1

Mạng truyền thơng cơng nghiệp

1.2.2

Vấn đề truyền tín hiệu trong hệ thống điện

11

1.2.3

Cấu trúc của mạng thông tin trong hệ thống điện

15

1.2.4

Tính năng thời gian thực

19

1.3 Kết luận
Chương 2 Mạng thông tin trong hệ thống điện
2.1 Các kênh thông tin trong hệ thống điện

8

20
21
21

2.1.1

Cáp thông tin

22

2.1.2

Kênh liên lạc cáp quang

24

2.1.3

Kênh thông tin vô tuyến

29

2.1.4

Kênh tải ba PLC (Power Line Carrier)

32

2.2 Các kênh thơng tin hiện có trong hệ thống điện Việt Nam

35

2.2.1

Chức năng của hệ thống thông tin viễn thông điện lực

35

2.2.2

Sơ lược về hệ thống thông tin viễn thông điện lực

36


2.3 Các tiêu chuẩn thông tin liên lạc trong hệ thống điện

41

2.3.1

Kiến trúc giao thức OSI

41

2.3.2

Tình trạng hiện nay của các chuẩn thông tin liên lạc

45

2.4 Kết luận

49

Chương 3 SCADA và các ứng dụng quản lý điều khiển trong HTĐ

51

I QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

51

3.1 Cơ sở dữ liệu thời gian thực

51

3.2 Khái niệm chung của một hệ thống điều khiển từ xa

53

3.3 Các hệ thống quản lý mạng

55

3.3.1

Khái niệm chung

55

3.3.2

Hệ thống quản lý SCADA

56

3.3.3

Hệ thống quản lý năng lượng EMS

57

3.3.4

Hệ thống tự động phân phối Distribution Automation

57

II TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG SCADA
3.4 Phần cứng trung tâm (Master Station Hardware)

59
60

3.4.1

Máy tính chủ (Server)

60

3.4.2

Các trạm cơng tác (Workstations)

61

3.4.3

Thiết bị tiền xử lý (Front-end processor)

62

3.4.4

Mạng nội bộ (Local Area Network)

62

3.4.5

Routers

62

3.5 Thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit)

63

3.5.1

Cấu tạo chung của RTU

63

3.5.2

Các ứng dụng của RTU

64

3.6 Hệ thống thông tin liên lạc SCADA

67

3.6.1

Cấu trúc mạng

67

3.6.2

Kênh thông tin liên lạc

69

3.7 Các chức năng của hệ thống SCADA

72


3.7.1

Chức năng thu nhập dữ liệu (Data Acquisition)

72

3.7.2

Chức năng chỉ thị trạng thái (Status Indications)

73

3.7.3

Chức năng đo lường

74

3.7.4

Chức năng giám sát và báo cáo (Monitoring and event

75

reporting)
3.7.5

Chức năng điều khiển

77

3.7.6

Chức năng tính tốn

78

3.8 Kết luận
Chương 4 Phân cấp thơng tin trong điều độ HTĐ Việt Nam và thực

78
79

trạng lưới điện khu vực Hà Nội
I GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TÁC ĐIỀU HÀNH LƯỚI ĐIỆN

79

4.1 Phân cấp điều độ hệ thống điện

79

4.2 Phân cấp thông tin dữ liệu giữa các cấp điều độ

79

4.3 Các hệ thống quản lý mạng trong Điều độ HTĐ Việt Nam

80

4.3.1

Hệ thống SCADA/EMS tại các trung tâm Điều độ

80

4.3.2

Hệ thống tự động hóa trạm biến áp (Substation

82

Automation)
II CƠNG TÁC ĐIỀU HÀNH VÀ THỰC TRẠNG LƯỚI ĐIỆN

84

HÀ NỘI
4.4 Công tác điều hành lưới điện Hà Nội

84

4.5 Thực trạng lưới điện khu vực Hà Nội

85

4.5.1

Các trạm biến áp 110kV cấp điện cho Hà Nội

85

4.5.2

Các tuyến đường dây 110kV khu vực Hà Nội

86

III ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA/DMS CHO ĐIỀU

88

ĐỘ HN
4.6 Cơ sở cho việc thiết kế hệ thống SCADA/DMS

88

4.7 Các nguyên tắc chung khi thiết kế SCADA/DMS

88


4.7.1

Thiết kế RTU

88

4.7.2

Hệ thống viễn thông

89

4.7.3

Giao thức viễn thông

89

4.7.4

Trung tâm điều khiển

90

4.8 Kết luận
Chương 5 Thiết kế hệ thống SCADA/DMS cho lưới điện khu vực Hà

90
91

Nội
5.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của thiết kế

91

5.1.1

Nhiệm vụ

91

5.1.2

Các yêu cầu đối với thiết kế

91

5.1.3

Độ tin cậy của hệ thống

94

5.2 Thiết kế phần cứng trung tâm

94

5.2.1

Giới thiệu chung

94

5.2.2

Các máy tính chủ SCADA/DMS

95

5.2.3

Máy tính chủ lập trình bảo dưỡng, máy tính chủ phục

96

vụ đào tạo
5.2.4

Máy tính tiền xử lý (Front-end System)

96

5.2.5

Các trạm thao tác

97

5.2.6

Mạng LAN trung tâm

97

5.2.7

Thiết bị in ấn

98

5.2.8

Hệ thống đồng bộ thời gian, tần số

98

5.3 Thiết kế phần mềm

99

5.3.1

Hệ điều hành

5.3.2

Phần mềm SCADA

100

5.3.3

Phần mềm DMS

101

5.4 Thiết kế thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit)
5.4.1

Các yêu cầu cơ bản

99

103
103


5.4.2

Các thiết bị ghép nối RTU với các thiết bị của trạm

105

5.4.3

Thiết kế danh sách các tín hiệu cho RTU (Signal list)

106

5.4.4

Dự tính số lượng đầu vào, đầu ra tín hiệu cho RTU tại

108

trạm
5.5 Thiết kế hệ thống thông tin cho SCADA

109

5.5.1

Quan điểm về việc thiết kế các kênh truyền SCADA

109

5.5.2

Giải pháp tổ chức các kênh truyền dẫn SCADA

110

5.6 Thiết kế hệ thống cấp nguồn cho SCADA

112

5.7 Kết quả đạt được

113

5.7.1

Giao diện người máy HMI và chức năng giám sát điều

113

khiển
5.7.2

Cơ sở dữ liệu phục vụ báo cáo và nghiên cứu

114

5.7.3

Kết luận

115

Kết luận chung

ix

Tài liệu tham khảo

ix

Phụ lục

ix

Giới thiệu hệ thống SCADA/DMS của Trung tâm Điều độ
Điện lực Hà Nội

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ

DA

Distribution Automation

Hệ thống tự động phân phối

DC

District Control Center

Trung tâm điều khiển cấp điện lực

DMS

Distribution Management System Hệ thống quản lý phân phối

EMS

Energy Management System

Hệ thống quản lý năng lượng

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

HMI

Human Machine Interface

Giao diện người máy

I&C

Instrumentation and Control

ICCP

Inter-Control Center Communication Protocol

IEDs

Intelligent Electronic Devices

ISO

International Organization for Standardization

LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

NC

National Control Center

Trung tâm điều khiển cấp quốc gia

PLC

Power Line Carrier

Tải ba

RC

Regional Control Center

Trung tâm điều khiển cấp miền

RTU

Remote Terminal Units

Thiết bị đầu cuối

SAS

Substation Automation System

Hệ thống tự động hóa trạm biến áp

Thiết bị điện tử thông minh

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition
SOE

Sequence Of Event

Chuỗi sự kiện

STP

Shielded Twisted Pair

Cáp đôi dây xoắn có bọc kim

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol
UHF

Ultra High Frequency

Dải tần số cực cao

UTP

Unshielded Twisted Pair

Cáp đôi dây xoắn không bọc kim

VHF

Very High Frequency

Dải tần số cao

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1

Một số thông số của các loại cáp quang

27

Bảng 2.2

So sánh các phương tiện vô tuyến

31

Bảng 4.1

Danh sách các trạm được tự động hóa

83

Bảng 4.2

Danh sách các trạm 110kV cấp điện cho Hà Nội

85

Bảng 4.3

Danh sách các tuyến đường dây 110kV cấp điện cho Hà Nội

87

Bảng 5.1

Qui mơ của hệ thống SCADA

92

Bảng 5.2

Dự tính số lượng đầu vào, đầu ra của RTU tại các trạm

108

Bảng 5.3

Danh sách các trạm đã đưa vào vận hành (theo trình tự thời gian)

113

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1

Một số dạng tín hiệu thơng dụng

12

Hình 1.2

Truyền một chiều, hai chiều gián đoạn và hai chiều tồn phần

13

Hình 1.3

Các cấu trúc dạng bus

16

Hình 1.4

Cấu trúc mạch vịng

17

Hình 1.5

Xử lý sự cố trong mạch vịng kép

18

Hình 1.6

Cấu trúc hình sao

19

Hình 2.1

Cáp đơi dây xoắn kiểu STP và UTP

22

Hình 2.2

Cấu tạo cáp đồng trục

24

Hình 2.3

Cấu tạo của một sợi cáp quang

25

Hình 2.4

Ngun lý phản xạ tồn phần của ánh sáng

26

Hình 2.5

Đường đi của tia sáng và biến thiên chiết suất của các loại cáp quang

26

Hình 2.6

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thơng tin quang

28

Hình 2.7

Một ví dụ về các kênh thơng tin vơ tuyến trong hệ thống điện

29

Hình 2.8

Kênh tải ba theo sơ đồ một pha

32

Hình 2.9

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống Power link

34

Hình 2.10 Cấu trúc của cáp OPGW

37

Hình 2.11 Mơ hình tham chiếu OSI

44

Hình 2.12 Hàng loạt các tiêu chuẩn thơng tin liên lạc được sử dụng trong trạm

45

Hình 2.13 Bên ngồi trạm, một loạt các chuẩn thơng tin liên lạc được sử dụng

46

Hình 2.14 Xu hướng có thể có trong tương lai

49

Hình 3.1

Chu trình đo lường, thơng tin và vận hành hệ thống điện

52

Hình 3.2

Khái quát về hệ thống điều khiển từ xa

53

Hình 3.3

Cấu trúc phân cấp của các trung tâm điều khiển

54

Hình 3.4

Các ứng dụng của SCADA

56

Hình 3.5

Các ứng dụng của EMS

57


Hình 3.6

Các ứng dụng DMS

58

Hình 3.7

Cấu trúc cơ bản của phần cứng trung tâm

60

Hình 3.8

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển từ xa

66

Hình 3.9

Hệ thống SCADA được cấu trúc theo kiểu điểm - điểm

67

Hình 3.10 Hệ thống SCADA bao gồm các RTU kết nối nối tiếp

68

Hình 3.11 Hệ thống SCADA bao gồm các RTU kết nối kiểu sao - nối tiếp

68

Hình 3.12 Hệ thống SCADA bao gồm các RTU kết nối kiểu điểm - nhiều điểm

69

Hình 3.13 Ví dụ các kênh liên lạc trong hệ thống SCADA

70

Hình 3.14 Chức năng thu nhập dữ liệu

73

Hình 3.15 Chức năng chỉ thị trạng thái

73

Hình 3.16 Đo lường giá trị tương tự

74

Hình 3.17

Cơ sở dữ liệu phục vụ cho tính tốn

75

Hình 4.1

Phân cấp thơng tin dữ liệu giữa các cấp điều độ

80

Hình 4.2

Cấu trúc điển hình của một trạm được tự động hóa

82

Hình 4.3

Sơ đồ lưới điện 110kV khu vực Hà Nội

86

Hình 5.1

Cấu hình phần cứng trung tâm hệ thống SCADA/DMS T.t Đđ HN

97

Hình 5.2

Sơ đồ tổ chức các kênh truyền dẫn SCADA

111


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp. NXB Khoa học và
Kỹ thuật, Hà Nội 2004.
2. Tổng cục Bưu điện: Các hệ thống tính tốn và xử lý thông tin. NXB Bưu
Điện, Hà Nội 2001.
3. VS.GS, Trần Đình Long: Bảo vệ các hệ thống điện. NXB Khoa học và
Kỹ thuật, Hà Nội 2000.

4. VS.GS, Trần Đình Long: Tự động hố Hệ thống điện. Đại học Bách
Khoa Hà Nội, Hà Nội 2004.
5. Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Trung: Các vấn đề về duy trì và
khai thác số liệu SCADA phục vụ vận hành, nghiên cứu hệ thống. Hội
nghị vận hành hệ thống SCADA, 12/2004.
6. Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia: Công nghệ mới trong điều
khiển hệ thống điện. Hà Nội 11/2003
Tiếng Anh
7.

IPG, International Power Generation: Power line carrier for HV
networks. Arpil 2004

8.

ABB, Power Technologies: Network Manager Basics. August 2004.

9.

ABB, Industrial IT for Substation Automation: RTU560, Remote
Terminal Unit. ABB Utilities, 2004.

10. AGA American Gas Association, Report No.12: Cryptographic
Protection of SCADA Communications. August 2004.
11. David J.Dolezilek: Understanding, Predicting and Enhancing the
power system through equipment monitoring and analysis. Schweitzer
Engineering Laboratories, Inc, 2000.


12. Allen Risley, Jeff Roberts, Peter Ladow: Electronic security of RealTime protection and SCADA Communications. 5th Annual, Western

Power Delivery Automation Conference, Arpil 2003.


1

CHƯƠNG 1

THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1 Vấn đề khai thác và sử dụng thông tin trong hệ thống điện
1.1.1 Tầm quan trọng của thông tin trong hệ thống điện
Trong hệ thống điện có rất nhiều các thiết bị đă gần đạt hoặc vượt quá ṿng
đời làm việc của ḿnh và cũng có nhiều thiết bị với công nghệ mới cần được
đưa vào hoạt động để đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao. Để có
thể nâng cao hiệu quả hoạt động của các thiết bị hiện có và cả những thiết bị
mới cần phải nắm được hiện trạng của hệ thống điện cũng như phải dự đoán
trước được định hướng phát triển trong tương lai. Các thiết bị giám sát, điều
khiển và bảo vệ tạo thành một hệ thống hoạt động phục vụ cho mục đích này.
Trong những phần tiếp theo dưới đây, thuật ngữ "hệ thống điện" được dùng
để chỉ tập hợp các thiết bị cấu tạo nên hệ thống sản xuất, truyền tải và phân
phối điện năng, "I&C" (Instrumentation and Control) được dùng để chỉ cho
tập hợp các thiết bị giám sát, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện. C̣n "IEDs"
(Intelligent Electronic Devices) dùng để chỉ các thiết bị điện tử thông minh
vẫn thường được dùng trong các mục đích bảo vệ, đo lường và lưu giữ sự
kiện.
Theo cách truyền thống, thông tin về các thiết bị trong hệ thống điện được
thu nhập thông qua giám sát hay kiểm tra bằng tay (manual) hoặc thông qua
các sự cố. Việc giám sát và chuẩn đoán các thiết bị của các công ty điện lực
mới chỉ được xem xét một cách định ḱ mà rất ít khi được cập nhật thường
xuyên và tự động (automatic). Nếu được phát hiện có lỗi, các hoạt động bảo

dưỡng sẽ được ghi nhớ và tiến hành như là một phần của kế hoạch bảo dưỡng
định kỳ tiếp theo. Có nghĩa là các hoạt động bảo dưỡng đối với thiết bị được


2

quyết định và tiến hành một cách chủ quan mà không quan tâm tới t́nh trạng
hiện tại cấp thiết của thiết bị. Các hoạt động bảo dưỡng định kỳ như vậy cũng
thường tiêu tốn một lượng ngân sách không nhỏ. Đơi khi do nguồn thơng tin
thu nhập khơng chính xác, các hoạt động bảo dưỡng sẽ bị áp dụng sai mục
đích.
Trên thực tế, thơng tin thu nhận được từ hệ thống tích hợp của các IEDs có
thể phục vụ cho rất nhiều mục đích của hệ thống điện trong đó có việc giám
sát. Dữ liệu phục vụ cho việc chuẩn đốn có thể là thơng tin về t́nh trạng vận
hành như giá trị đo lường, trạng thái hay các tham số của các thiết bị như t́nh
trạng làm việc của máy cắt, máy biến áp. Dữ liệu phục vụ cho phân tích hệ
thống điện có thể là các bản ghi (ví dụ từ Rơle số) phản ánh phản ứng của hệ
thống điện trước các sự cố, theo thời gian. Chúng cũng bao gồm cả các báo
cáo sự kiện hay chuỗi các sự kiện (sequential events).
Nói tóm lại, năng lực vận hành hệ thống điện cũng như giá thành cho nó
phụ thuộc vào khả năng thu nhận và xử lý nguồn thông tin một cách tức thời.
Thông tin đ ̣i hỏi phải được cập nhật hết sức thường xuyên, 24 giờ trong ngày,
bảy ngày trong tuần... và phải có một hệ thống tích hợp của các IEDs để cung
cấp nguồn dữ liệu.
1.1.2 Tạo dựng cơ sở dữ liệu
Nhiều IEDs được chế tạo để phục vụ cho riêng cho việc giám sát và ghi lại
thông tin của các thiết bị như các bộ đo nhiệt độ máy biến áp và môi trường,
các thiết bị thống kê số lần nhảy của máy cắt... Các IEDs khác được chế tạo
với mục đích chính là đo lường các thông số hoạt động của hệ thống hay bảo
vệ cũng có thể tạo ra và cung cấp những nguồn cơ sở dữ liệu có giá trị. Khi

tích hợp chúng lại trong một hệ thống, các IEDs sẽ phát huy được sức mạnh
và tính kinh tế, giúp hợp lý hóa hệ thống I&C, tạo ra khả năng cho việc bảo
vệ, tự động hóa, điều khiển, giám sát và phân tích hệ thống điện. Trong đó,


3

chức năng giám sát và (monitoring) và phân tích (analysis) hệ thống tạo ra 6
dạng cơ sở dữ liệu như sau:
Dữ liệu thiết bị
Dữ liệu về thiết bị là những giá trị đo lường định kỳ của các tham số của hệ
thống điện và các trạng thái thu thập từ thiết bị để phục vụ giám sát một cách
vật lý hệ thống điện, ví dụ như ḍng điện hay điện áp của máy biến áp. Dữ liệu
về thiết bị bao gồm các trạng thái riêng biệt, điện áp một chiều và giá trị
analog đầu vào ở mức thấp (low-level).
Dữ liệu về thay đổi trạng thái
Dữ liệu về thay đổi trạng thái, gọi tắt là COS (Change-of-State), thường
được gán nhăn thời gian và được tạo ra khi có một sự thay đổi trạng thái xảy
ra trong hệ thống điện. Dạng dữ liệu này thường được chuyển đến bộ ghi
chuỗi sự kiện dưới dạng một chuỗi các sự kiện SOE (sequence of events). Sở
dĩ được đặt tên như vậy v́ dữ liệu sẽ cung cấp các thông tin về việc ǵ đă xảy
ra, khi nào, và theo một thứ tự ra sao.
Dữ liệu tính tốn
IEDs căn cứ vào các dữ liệu của thiết bị để tính tốn và cung cấp các giá trị
đo lường dưới dạng analog cho thấy trạng thái hoạt động của hệ thống điện.
Các dữ liệu đo lường được tính tốn định ḱ này sẽ cho phép theo dơi một cách
tức thời diễn biến của hệ thống. Dữ liệu cũng có thể được tích lũy theo thời
gian, can chỉnh và lọc. Các giá trị tức thời và tích lũy này được lưu giữ bởi
các IEDs sẽ tạo ra một cơ sở dữ liệu quá khứ (Historical Data) phục vụ cho
nhiều mục đích sau này của hệ thống (ví dụ cung cấp đồ thị phụ tải và phụ tải

đỉnh của một khu vực).
Dữ liệu chuẩn đoán
Hệ thống rơle bảo vệ và thiết bị giám sát IEDs lưu giữ các thông tin về quá
tŕnh hoạt động của thiết bị trong hệ thống điện để phục vụ cho việc phân tích.


4

Lấy ví dụ đó có thể là tổng số lần hoạt động, tần suất sử dụng, khoảng thời
gian của hành động điều khiển, ḍng điện cắt của máy cắt ... Thêm nữa, các
quá tŕnh tự kiểm tra trong nội tại IEDs cũng tạo ra nguồn thơng tin về chính
q tŕnh hoạt động của IEDs.
Dữ liệu chuẩn đoán này cung cấp những thông tin cần thiết về chất lượng
của hệ thống điện và của cả hệ thống I&C. Hơn nữa, với việc lưu giữ và sử
dụng các dữ liệu chuẩn đoán, hệ thống I&C có thể ngay lập tức phát hiện
nguyên nhân gây ra hư hỏng thiết bị, phát ra các cảnh báo hoặc đưa ra các
hoạt động nhằm ngăn chặn những hư hỏng nặng hơn. Điều này giúp cho việc
nhanh chóng sửa chữa hoặc thay thế thiết bị nếu cần thiết.
Dữ liệu quá khứ
Các IEDs lưu giữ các dữ liệu thu thập được để cung cấp thông tin về phản
ứng của hệ thống điện theo thời gian và với những hiện tượng xảy ra. Kiểu dữ
liệu này bao gồm các thông tin mô tả hệ thống, các sự kiện, các bản ghi chuỗi
sự kiện SER (Sequential events recorder), chất lượng điện năng và thông tin
về bảo vệ rơle. Một lệnh đồng bộ về thời gian từ trung tâm điều khiển sẽ cho
phép các thiết bị trong hệ thống có cùng một giá trị thời gian, phục vụ cho
việc gán nhăn thời gian (time stamp).
Dữ liệu quá khứ cho phép các hoạt động phân tích hệ thống điện và cả hệ
thống I&C để hợp lư hóa và nâng cao thiết kế hệ thống. Thêm vào đó, việc
các giá trị được lưu giữ một cách định kỳ c ̣n giúp cho việc định hướng và phát
hiện các nguyên nhân hư hỏng thiết bị và các cấu h́ nh không hợp lư.

Thường th́ dữ liệu quá khứ lưu giữ dưới dạng các báo cáo và các báo cáo
này có thể được kết nối đến các thiết bị khác một cách tự động hay theo yêu
cầu để phục vụ cho các quá tŕnh từ xa. Những báo cáo này có thể có dung
lượng rất lớn và đ ̣i hỏi một khoảng thời gian không nhỏ để truyền tải.
Dữ liệu cài đặt


5

Dữ liệu cài đặt được sử dụng để cấu h́ nh cho phần mềm của các IEDs nhằm
thực hiện các chức năng tối ưu hóa cho các chương tŕnh ứng dụng. Thêm vào
đó, dữ liệu cài đặt sẽ thiết lập các ngưỡng cho các sự kiện và trạng thái khởi
động cho các bản ghi sự kiện SER.
Các thông tin cài đặt thường được tính tốn và lưu trữ từ xa trước khi truyền
đến các IEDs thông qua các kênh liên lạc. Chúng thường cần phải được thể
hiện và kết hợp với các dữ liệu khác tạo ra bởi các IEDs. Ví dụ như tỷ số biến
ḍng hay là giá trị trở kháng của đường dây.
1.1.3 Phân tích cơ sở dữ liệu
Khi dữ liệu đă được thu thập, chúng sẽ được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu,
tiếp tục xử lư phục vụ cho việc phân tích t́nh trạng của hệ thống.
Ví dụ, các bộ cảm biến sẽ đo áp lực gas và nhiệt độ trong các máy cắt sử
dụng khí SF6. Các trạng thái giám sát này được sử dụng để tính tốn tỷ trọng
của gas. Cộng thêm vào đó là giá trị của thời gian, kết hợp với các giá trị đo
lường sẽ cho phép hệ thống xác định được thời điểm cần phải bổ sung thêm
gas cho máy cắt.
Một thơng tin rất có giá trị đó là khoảng thời gian xuất hiện hồ quang.
Trong một số hệ thống, người ta xác định hồ quang được dập tắt khi biên độ
của ḍng điện hạ xuống dưới giá trị ngưỡng. Những thông tin bổ sung về giá trị
ḍng điện của cuộn cắt và giá trị của ḍng sơ cấp cho phép ước lượng được thời
gian hoạt động của máy cắt và độ hao ṃn. Từ đó có thể xác định được khi nào

máy cắt cần được bảo dưỡng để tránh hỏng hóc hay hoạt động khơng chính
xác.
Các rơle bảo vệ lưu giữ giá trị biên độ ḍng điện của 3 pha mỗi khi máy cắt
cắt. Một vài rơle sẽ sử dụng thơng tin này để tính tốn phần trăm tuổi đời c ̣n
lại của tiếp điểm máy cắt. Điều này cũng tương tự như cách mà rơle quá ḍng
có thời gian làm việc. Trong quá tŕnh xử lư, rơle sẽ đo ḍng điện và dùng giá


6

trị này trong thuật tốn tích phân, so sánh kết quả cuối cùng với giá trị đặt.
Với chức năng xác định độ hao ṃn tiếp điểm, khoảng thời gian xử lý lớn hơn
rất nhiều so với phần tử bảo vệ quá ḍng có thời gian. Rơle bảo vệ cũng ghi lại
độ hao ṃn cơ khí của máy cắt bằng cách theo dơi số lần hoạt động của máy
cắt mà không quan tâm đến biên độ của ḍng cắt.
Giá trị thống kê số lần hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp TC (Tap
changer) cho phép xác định gần đúng độ hao ṃn. Những thơng tin khác như
về vị trí bộ chuyển nấc TC, điện áp hệ thống, điện áp tải ... sẽ cho phép có
những đánh giá chính xác hơn, từ đó có thể chắc chắn được rằng điện áp của
máy biến áp vẫn đang được điều khiển chính xác.
Nhiệt độ dầu và ḍng điện sơ cấp sẽ là đầu vào để tính tốn nhiệt độ cuộn
dây của máy biến áp. Thêm vào đó, vị trí của bộ điều chỉnh điện áp, điều kiện
khí hậu, nhiệt độ cao và thấp nhất của bộ phận tản nhiệt cho phép dự báo
nhiệt độ dựa theo tải và điều kiện môi trường. Nếu nhiệt độ thực tế đo được
vượt quá so với dự báo, một bộ phận chỉ thị sẽ báo tín hiệu hệ thống làm mát
của máy biến áp làm việc không đúng. Những giá trị này cũng cung cấp các
thông tin có giá trị về cách điện của máy biến áp.
Những kinh nghiệm về sự cố trên các đường dây truyền tải và phản ứng của
các rơle bảo vệ cho phép nhanh chóng cách ly đoạn sự cố. Các giá trị đo
lường và trạng thái tác động của rơle cung cấp thơng tin về tính chất và loại

sự cố. Các dữ liệu về chất lượng hệ thống điện cho phép người vận hành đưa
ra những so sánh giữa thực tế vận hành với trạng thái lư tưởng. Dữ liệu về
rơle bảo vệ cho phép chứng thực sự phù hợp của chúng với môi trường hệ
thống điện. Tất cả những điều này góp phần vào việc giám sát sự vận hành
của các đường dây truyền tải.
Phân tích các dữ liệu của các IED và hệ thống thông tin liên lạc cho phép
phát hiện và sửa chữa các lỗi xảy ra với các kênh thông tin, với các bộ vi xử


7

lư…
1.1.4 Phản ứng đối với cơ sở dữ liệu
Các phản ứng của hệ thống điện đối với cơ sở dữ liệu thu thập được ví dụ
như từ các cảnh báo, cho phép có được các điều tra tức thời về sự cố xảy ra.
Các phản ứng của hệ thống cũng bao gồm cả các đánh giá và ước lượng đối
với các thơng số hoạt động của hệ thống.
Lợi ích của các cảnh báo tức thời bao gồm cả việc bảo vệ con người và thiết
bị khỏi các rủi ro có thể xảy ra và giảm thời gian khắc phục sự cố. Ví dụ như
qua phân tích có thể chứng minh được sự suy giảm của hệ thống làm mát hay
xác định được việc tự động đóng lại lần thứ ba không bao giờ thành công.
Các ước lượng đối với các thông số hoạt động của hệ thống cung cấp rất
nhiều các cơ hội đối với hệ thống điện. Các thiết bị giám sát cung cấp dữ liệu
để chứng minh hoạt động và đưa ra các quyết định xây dựng hệ thống tốt hơn
rất nhiều so với việc tin vào cảm giác hay phán đoán lý thuyết. Các quyết đinh
này dẫn đến:
• Mở rộng dung lượng của các trạm biến áp thông qua việc đánh giá và
xác định các thiết bị sẵn có tại trạm. Dữ liệu cung cấp các nền tảng kỹ
thuật cho việc đưa ra các quyết định.
• Giảm chi phí bảo dưỡng bằng các kế hoạch bảo dưỡng thích hợp và

phát huy có hiệu quả năng lực của đội ngũ bảo dưỡng. Đội ngũ bảo
dưỡng sẽ sử dụng cơ sở dữ liệu để xác định khi nào th́ tiến hành bảo
dưỡng và những nhiệm vụ nào th́ chưa phải giải quyết…
• Nâng cao năng lực hoạt động của trạm thơng qua các thiết bị giám sát
chính xác. Sự hoạt động có hiệu quả hơn của các thiết bị riêng lẻ là do
hoạt động bảo dưỡng dựa trên t́nh trạng thực tế của thiết bị.
• Giảm chi phí phải bổ sung thơng qua việc tích hợp sản phẩm của nhiều
nhà sản xuất. Các bộ phận (pḥng, ban đơn vị) khác nhau có thể truy


8

nhập và sử dụng cùng một kho cơ sở dữ liệu, tránh việc phải xây dựng
một đường thông tin liên lạc và cơ sở dữ liệu riêng biệt cho mỗi bộ
phận.
• Nâng cao độ tin cậy đo lường thơng qua các hệ thống hoạt động giám
sát. Ngày nay, có rất nhiều khách hàng yêu cầu độ tin cậy cung cấp
điện rất cao, có thể là 24 giờ trong ngày và 7 ngày trong tuần. Thông tin
thu thập được sẽ được sử dụng để nâng cao độ tin cậy, đàm phán và xác
định các điều khoản của các hợp đồng.
• Nâng cao sự hiểu biết về năng lực của hệ thống điện thơng qua các u
cầu. Nhà cung cấp điện có thể dự đoán nhu cầu trong tương lai của hệ
thống điện từ đó có thể đẩy nhanh hoặc tŕ hoăn việc đưa thêm các dự án
vào triển khai mà vẫn tiếp tục đáp ứng được nhu cầu của khách hàng
tiêu thụ điện.
1.2 Hệ thống thông tin phục vụ đo lường và điều khiển hệ thống điện
Các hệ thống thông tin phục vụ cho đo lường và điều khiển trong hệ thống
điện ngoài những đặc thù riêng mang bản chất của nó th́ cũng được xây dựng
dựa trên những kỹ thuật của một mạng truyền thông công nghiệp. V́ vậy trong
phần này chúng ta sẽ t́m hiểu một số những vấn đề mang tính cơ bản của một

mạng thơng tin hệ thống điện.
1.2.1 Mạng truyền thông công nghiệp
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm
chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số được sử dụng để ghép nối các
thiết bị công nghiệp. Các hệ thống truyền thông công nghiệp hiện nay cho
phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ cảm biến, cơ cấu chấp hành ở
cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều
khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành... Đối tượng của một mạng


9

truyền thông công nghiệp thường thuần tuư là các thiết bị công nghiệp, nên
thông tin đáng được quan tâm nhất là dữ liệu. Ví dụ đối với một mạng truyền
thơng áp dụng trong hệ thống điện, dữ liệu ở đây có thể là trạng thái các thiết
bị của một trạm biến áp: máy cắt, dao cách ly đóng hay mở, vị trí bộ chuyển
nấc của máy biến áp, giá trị ḍng, áp của một lộ đường dây, nhiệt độ dầu máy
biến áp...
Mạng truyền thông công nghiệp cho phép đạt được những ưu thế không chỉ
ở phương diện kỹ thuật mà c ̣n ở cả khía cạnh hiệu quả kinh tế so với cách nối
điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị cơng nghiệp. V́ vậy mà ứng dụng của nó
khá rộng răi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như điều khiển q tŕnh,
tự động hố xí nghiệp, điều khiển giao thông... Trong hệ thống điện, hệ thống
giám sát, điều khiển và thu nhập số liệu (SCADA: Supervisory Control and
Data Acquisition) là một ví dụ điển h́ nh. Vậy, mạng truyền thơng cơng nghiệp
có vai tṛ quan trọng như thế nào trong các lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự
động hố:
• Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số
lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối
với nhau thơng qua một đường truyền duy nhất.

• Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn
giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng
lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí
đáng kể cho ngun vật liệu và cơng lắp đặt.
• Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thơng tin: Khi dùng phương
pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay
đổi nội dung thơng tin mà các thiết bị khơng có cách nào nhận biết.
Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thơng tin truyền đi khó bị
sai lệch hơn mà các thiết bị nối mạng cṇ có thêm khả năng tự phát hiện


10

và chuẩn đốn lỗi nếu có.
• Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng
chuẩn hoá quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều
hăng khác nhau. Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi
chức năng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều. Khả năng tương tác
giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được nâng cao nhờ các
giao diện chuẩn.
• Đơn giản hoá, tiện lợi hoá việc tham số hoá, chuẩn đoán, định vị lỗi, sự
cố của các thiết bị: Với một đường truyền duy nhất, khơng những các
thiết bị có thể trao đổi dữ liệu quá tŕnh, mà c ̣n có thể gửi cho nhau các
dữ liệu tham số, dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chuẩn
đoán. Các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chuẩn đốn, các trạm
trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giới lẫn nhau. Việc cấu h́ nh
hệ thống, lập tŕnh, tham số hoá, chỉnh định thiết bị và đưa vào vận hành
có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
• Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử
dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc

điều khiển mới như là điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với các
thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua
Internet, tích hợp thơng tin của hệ thống điều khiển và giám sát với
thông tin điều hành sản xuất và quản lư công ty.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ứng dụng của các hệ thống
thông tin và đo lường điều khiển từ xa ngày càng rộng, trong hệ thống điện
cũng vậy. Xét trong một nhà máy điện, đó là hệ thống tự động hố nhà máy.
Đối với một trạm biến áp đó là hệ thống tự động hố trạm (SAS: Substation
Automation System)... Một mạng truyền thơng cơng nghiệp có thể giúp đỡ
nhiều trong việc tích hợp các hệ thống tự động hố hiện đại này. Từ đó, lượng


11

thông tin trên cơ sở dữ liệu của nhà máy điện, trạm biến áp và các phần tử
khác của hệ thống sản xuất, truyền tải và phân phối sẽ phát huy được hiệu quả
to lớn trong việc quản lư tối ưu một hệ thống điện.
1.2.2 Vấn đề truyền tín hiệu trong hệ thống điện
a.Tín hiệu
Việc trao đổi thơng tin hay giữ liệu có thể thực hiện được nhờ tín hiệu. Có
thể định nghĩa, tín hiệu là biểu diễn của một đại lượng vật lý chứa đựng tham
số thông tin/dữ liệu và có thể truyền dẫn được. Theo quan điểm tốn học th́
tín hiệu được coi là một hàm của thời gian. Trong các lĩnh vực kỹ thuật,các
loại tín hiệu thường dùng là điện, quang, khí nén, thủy lực và âm thanh.
Các tham số sau đây thường được dùng trực tiếp, gián tiếp hay kết hợp để
biểu thị nội dung thông tin:
• Biên độ
• Tần số, nhịp xung, độ rộng của xung, sườn xung
• Pha, vị trí xung
Khơng phân biệt tính chất vật lý của tín hiệu (điện, quang, ...) ta có thể phân

loại tín hiệu dựa theo tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc dựa theo diễn
biến thời gian thành những dạng sau:
• Tương tự: Tham số thơng tin có thể có một dạng bất kỳ trong một
khoảng nào đó.
• Rời rạc: Tham số thơng tin chỉ có thể có một số giá trị (rời rạc) nhất
định.
• Liên tục: Tín hiệu có ư nghĩa tại bất kỳ thời điểm nào trong một khoảng
thời gian quan tâm. Nói theo ngơn ngữ tốn học, một tín hiệu liên tục là
một hàm liên tục của biến thời gian trong một khoảng xác định.
• Gián đoạn: Tín hiệu chỉ có ý nghĩa tại những thời điểm nhất định.