Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển hệ thống điện

Bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
-------------------------------------------

luận văn thạc sỹ khoa học
hệ thống thông tin điện lực trong
bảo vệ và điều khiển hệ thống điện
ngành: hƯ thèng ®iƯn
m· sè:

ngun minh phóc
Ng­êi h­íng dÉn khoa häc: VS.GS.TSKH Trần Đình Long

Hà Nội
2006

hà nội 2006


Mục lục
Trang
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, bảng biểu
Mở đầu
Chương 1- Sự phát triển của các hệ thống thông tin điện lực
1.1 Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin điện lực............................4
1.2 Vai trò và chức năng của các hệ thống thông tin điện lực..........................6
1.3 Những vấn đề chung về hệ thống thông tin ...............................................7
1.3.1 Những khái niệm cơ bản...................................................................7
1.3.2 Các chế độ truyền tin ......................................................................11

1.3.3 Giao thức thông tin và một số cấu trúc mạng..................................14
Chương 2 - Kênh truyền tín hiệu
2.1 Các kênh truyền tín hiệu...........................................................................19
2.2 Yêu cầu đối với các kênh truyền tín hiệu .................................................22
2.3 Đặc tính các kênh truyền tín hiệu trong hệ thống thông tin điện lực........23
2.3.1 Dây dẫn phụ và cáp thông tin............................................................23
2.3.2 Kênh truyền tải ba.............................................................................27
2.3.3 Kênh truyền bằng sóng vô tuyến.......................................................42
2.3.4 Cáp quang.........................................................................................58
Chương 3 - Kênh truyền cáp quang trên đường dây 500kV
3.1

Kênh

truyền

Nam........................73

cáp

quang

trên

hệ

thống

500kV

Bắc




3.2 Hệ thống thông tin quang trong bảo vệ so lệch dọc 500kV.....................74
3.2.1 Nguyên lý bảo vệ............................................................................74
3.2.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang trong bảo vệ so lệch dọc..........74
Chương 4 - Mạng thông tin điện lực Việt Nam
4.1 Hệ thống thông tin điện lực Việt Nam...................................................107
4.1.1 Hệ thống thông tin quang.............................................................108
4.1.2 Mạng truyền dẫn vô tuyến ...........................................................115
4.1.3 Kênh truyền tải ba PLC................................................................117
4.1.4 Mạng cáp đồng.............................................................................119
4.2 Phân cấp kỹ thuật trong mạng viễn thông điện lực Việt Nam.................121
4.2.1 Tổ chức quản lý vận hành..............................................................121
4.2.2 Phân cấp kỹ thuật trong hệ thống..................................................122
4.3 Đánh giá nhược điểm hệ thống thông tin điện lực Việt Nam..................124
4.3.1 Nhược điểm chung.........................................................................124
4.3.2 Thiết bị và công nghệ.....................................................................124
4.3.3 Khả năng cung cấp dịch vụ............................................................125
4.4 Xu hướng phát triển và những kiến nghị.................................................126
Tài liệu tham khảo


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
1

Danh mục các kí hiệu, các chữ cái viết tắt
AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

ADC

Analog to Digital Converter

Bộ biến đổi tương tự sè

AWG

America Wiring Gauge

Qui chn vỊ d©y dÉn cđa Mü

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mÃ

CCVT

Capacitor Couple Voltage Transformer
Biến điện áp kiểu tụ

CT

Current Transformer

Máy biến dòng điện

DC

Down Converter

Bộ biến đổi hạ tần

DCD

Differential Coder

Bộ mà hoá vi sai

DEMUX

Demultiplexer

Bộ phân kênh

DE-MOD

Demodulation

Bộ giải điều chế

D-DEC

Differential Decorder

Bộ giải mà vi sai

DIP

Diplexer

Bộ phân nhánh cao tần

DMS

Demand Managerment System

Hệ thống quản lý nhu cầu
sử dụng điện năng

DSC

Descramble

Bộ giải mà ngẫu nhiên

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

Bộ khuyếch đại sợi quang pha

tạp nguyên tử đất hiếm Erbium

EMS

Energy Management System

Hệ thống quản lý năng lượng

E/O

Electrical to Optical

Bộ biến ®ỉi ®iƯn – quang

GI

Grade Index

ChiÕt st biÕn ®ỉi ®Ịu

GIS

Geographical Information System Hệ thống thông tin địa lý

HTTP

Hypertext Transfer Protocol

Giao thức truyền siêu văn bản

IEC

International Electrical Commitee

Hiệp hội điện lực quốc tế

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
2

itu

International Telecommunication Union
Liên hợp Viễn thông quốc tế

LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

LCD

Liquid Crystal Diod

Điot tinh thể lỏng

LD

Laser Diod

Điot laze

LED

Lighting Emitter Diod

Điot phát quang

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuyếch đại tạp âm nhỏ

MM

Multi Mode

Sợi đa mode

MOD

Modulator

Bộ điều chế

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

NRZ

Non-Return to Zero

MÃ tín hiệu không
quay trở về không

O/E

Optical to Electrical

Bộ biến đổi quang - điện

PLC

Power Line Carrier

Kênh truyền tải ba

PE

Polyethylen

Nhựa tổng hợp polyetylen

PVC

Polyvinilclorua

Nhựa tổng hợp PVC

PA

Power Amplifier

Khuyếch đại công suất

PCM

Pulse Code Modulation

Bộ điều chế mà xung

PDH

PsuedoSynchronous Digital Hierry Chuẩn phân cấp cận đồng bộ

PSL

Programable Scheme Logical

Phần mềm lập trình logic

RLO

Receive Local Oscillator

Bộ dao động nội thu

RTU

Remote Terminal Unit

Thiết bị đầu cuối

R-DEMUX Radio Demultiplexer

Phân khung vô tuyến

R-MUX

Radio Multiplexer

Bộ ghép khung vô tuyến

SCADA

Supervisory Control

Hệ thống giám sát, điều khiển

And Data Acquisition

và thu thập dữ liệu từ xa

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
3

SDH

Synchronous Digital Hierry

Chuẩn phân cấp đồng bộ

SI

Step Index

Chiết suất bậc

SM

Single Mode

Sợi đơn mode

STM

Synchronous Transfer Mode

Chuẩn truyền dẫn đồng bộ

STP

Shielded Twisted Pair

Cáp đôi dây xoắn có bọc kim

TCP/IP

Transmission Control Protocol/Internet Protocol
Giao thức chuẩn truyền Internet

TLO

Tranmitter Local Oscillator

Bộ dao động nội phát

UC

Up Converter

Bộ biến đổi nâng tần

UTP

Unshielded Twisted Pair

Cáp đôi dây xoắn không bọc kim

VC

Virtual Container

Contennơ ảo

WDM

Wavelengthe Division Multiplex

Kỹ thuật dồn kênh theo bước sóng

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
4

Danh mục các hình vẽ và bảng biểu
Hình 1.1 Nguyên tắc cơ bản của truyền thông
Hình 1.2 Các chế độ truyền bit
Hình 1.3 Một số cấu trúc bus
Hình 2.1

Liên hệ giữa các thiết bị bảo vệ với kênh truyền tín hiệu

Hình 2.2

Cấu trúc cáp đồng trục

Hình 2.3

Cáp đôi dây xoắn và tác dụng trung hoà trường điện từ

Hình 2.4

Hai kiểu cáp STP và UTP

Hình 2.5

Quan hệ tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn trong cáp AWG 24

Hình 2.6

Sơ đồ đấu nối thông tin tải ba trên đường dây

Hình 2.7

Cấu tạo cơ bản của cuôn cản

Hình 2.8

Đặc tính tổng trở cuộn cản khi hiệu chỉnh một tần số

Hình 2.9

Đặc tính tổng trở cuộn cản khi hiệu chỉnh một tần số có đấu thêm
điện trở

Hình 2.10 Đặc tính tổng trở cuộn cản khi hiệu chỉnh hai tần số
Hình 2.11 Sơ đồ hiệu chỉnh bộ lọc băng
Hình 2.12 Sơ đồ khối tủ thông tin PLC
Hình 2.13 Cơ chế phản xạ của tầng điện ly
Hình 2.14 Các lớp trong tầng điện ly
Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ thống thông tin viba số
Hình 2.16 Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng với các góc tới khác nhau
Hình 2.17 Dải phổ sóng điện từ
Hình 2.18 Cấu trúc cơ bản hệ thống thông tin quang
Hình 2.19 Cấu trúc sợi quang
Hình 2.20 Đường đi của tia sáng trong sợi quang
Hình 2.21 Các loại sợi quang và biến thiên chiết suất theo bán kính sợi
Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
5

Hình 3.1

Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch dòng điện

Hình 3.2

Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch dòng điện có hÃm

Hình 3.3

Đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch có hÃm

Hình 3.4

Sơ đồ nguyên lý bảo vệ so lệch có hÃm hài bậc 2

Hình 3.5

Sơ đồ bảo vệ so lệch dọc đường dây Nho Quan Hà Tĩnh 2

Hình 3.6

Cấu trúc hệ thống thông tin quang trong bảo vệ so lệch dọc

Hình 3.7

Hình dạng của rơle P546

Hình 3.8

Các chức năng được tích hợp trong P546

Hình 3.9

Sơ đồ khối qúa trình phát thông tin quang của P546

Hình 3.10 Trao đổi thông tin giữa các rơle P546 ở khoảng cách gần
Hình 3.11 Cấu trúc bộ biến đổi MiCOM P591
Hình 3.12 Các phần tử chính của hệ thống tủ thông tin quang
Hình 3.13 Hốc cộng hưởng laze tiêu biểu
Hình 3.14 Tín hiệu quang sau khi qua máy thu
Hình 3.15 Sơ đồ máy thu quang tiêu biểu
Hình 3.16 Cấu trúc một trạm lặp quang thông thường
Hình 3.17 Cấu tạo bộ khuyếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Erbium
Hình 3.18 Một số ứng dụng của hiT 7070
Hình 3.19 Sơ đồ khối cơ bản của SURPASS hiT 7070
Hình 4.1

Cấu hình hệ thống đường trục cáp quang lớp 1

Hình 4.2

Cấu hình hệ thóng đường trục cáp quang mạch vòng lớp 1

Hình 4.3

Sơ đồ mạng đường trục cáp quang lớp 2

Hình 4.4

Cấu trúc sáu tuyến viba số dự phòng

Hình 4.5

Kênh truyền PLC tuyến trục miền Bắc

Hình 4.6

Kết nối tổng đài PLC tại Nhà máy điện Phả Lại

Hình 4.7

Cấu trúc mạng cáp đồng trong thông tin điện lực

Bảng 2.1

Các băng tần số vô tuyến

Bảng 2.2

Phân loại sợi quang

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
6

Mở đầu

Hệ thống điện là một thể thống nhất từ các quá trình sản xuất, truyền tải, phân
phối và tiêu thụ điện năng. Trong đó hệ thống thông tin giữ vai trò quan trọng
trong việc liên kết các phần tử và các quá trình trên lại với nhau. Việc phá vỡ mối
quan hệ trên sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho hệ thống điện và nền

kinh tế quốc dân. Hệ thống thông tin có nhiệm vụ cung cấp trạng thái làm việc
của thiết bị điện tới hệ thống trung tâm, đảm bảo cho hệ thống bảo vệ và điều
khiển từ xa làm việc hiệu quả, tin cậy. Ngoài ra nó còn cung cấp thông số hệ
thống cho quá trình tối ưu hoá chế độ vận hành và xử lý sự cố. Thông tin trong hệ
thống điện thường nằm dưới dạng mà của các giá trị đo lường, tín hiệu điều khiển
bảo vệ từ xa, tín hiệu cảnh báo và thoại. Do đó tìm hiểu và nghiên cứu kĩ hệ
thống thông tin điện lực là một việc cần thiết đối với bất kì kỹ sư điện nào.
ã Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mục đích của đề tài : đánh giá các loại kênh thông tin điện lực, đưa ra kiến
nghị và xây dựng mô hình phát triển hệ thống viễn thông điện lực.
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: các loại kênh thông tin trong hệ thống điện
bao gồm dây dẫn phụ và cáp đồng, kênh tải ba PLC, kênh vô tuyến siêu cao
tần, cáp quang.
ã ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
7

- Về ý nghĩa khoa học: đề tài đi từ những khái niệm cơ bản của lý thuyết
truyền tin, tìm hiểu cấu trúc các kênh thông tin và đánh giá những ưu nhược
điểm của nó.
- Về tính thực tiễn: nghiên cứu cấu trúc hệ thống viễn thông Việt Nam trong
đó chú trọng đến kênh truyền thông tin quang. Từ đó đưa ra nhận xét, kiến
nghị và mô hình phát triển hệ thống viễn thông Việt Nam
ã Bố cục của luận văn:

Luận văn được trình bày trong 4 chương
- Chương 1: Sự phát triển của các hệ thống thông tin điện lực
Tìm hiểu lịch sử phát triển của thông tin điện lực trên thế giới và những chức
năng, vai trò của nó trong hệ thống điện. Đồng thời đưa ra những khái niệm cơ
bản của lý thuyết truyền tin
- Chương 2: Kênh truyền tín hiệu
Đưa ra cấu trúc, đặc tính và yêu cầu của các kênh truyền tín hiệu
- Chương 3: Kênh truyền cáp quang trên đường dây 500kV Bắc Nam
Nghiên cứu nguyên lý làm việc và cấu trúc hệ thống thông tin quang trên
đường dây 500kV Bắc Nam.
Giới thiệu thiết bị xử lý và truyền thông tin quang hiện đại SURPASS hiT
7070 của hÃng Siemens (Đức)
- Chương 4: Mạng thông tin điện lực Việt Nam
Tìm hiểu cấu trúc mạng thông tin điện lực Việt Nam, sự phân cấp kỹ thuật và
phân cấp quản lý của hệ thống này.
Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiĨn HT§


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
8

Đánh giá ưu nhược điểm và kiến nghị xu hướng phát triển của mạng viễn
thông điện lực Việt Nam
Để hoàn thành luận văn này ngoài nỗ lực của bản thân, tôi xin cảm ơn các
thầy cô giáo trong Bộ môn Hệ Thống Điện Trường ĐHBK Hà Nội đà truyền
thụ những kiến thức và phương pháp nghiên cứu quý báu, đặc biệt là Thầy giáo
VS.GS.TSKH Trần Đình Long đà tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá
trình làm luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đà động viên giúp
đõ. Xin chân thành cảm ơn Trung tâm Thí nghiệm điện 1, Công ty Viễn thông
điện lực và Trung tâm Điều độ Quốc gia đà giúp đỡ và cung cấp những tài liệu
quý báu để tôi hoàn thành bản luận văn này.
Trong quá trình làm bản luận văn này không thể tránh khỏi những sai sót, tôi
mong thầy cô và các bạn góp ý, phê bình để bản luận văn được hoàn thiện hơn.

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiĨn HT§


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
9

Chương 1: Sự phát triển của các hệ thống
thông tin điện lực
1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin
điện lực
Trong quá trình phát triển của lịch sử loài người luôn gắn liền với các giai
đoạn phát triển công nghệ thông tin trong đó việc phát minh ra ngôn ngữ là cuộc
cách mạng truyền thông lớn nhất đầu tiên. Sau đó con người đà sử dụng lửa để
thông tin trong một thời gian dài vì có khả năng truyền đạt thông tin hiệu quả và
nhanh chóng. Xà hội loài người đà có bước nhảy vọt đặc biệt khi chữ viết ra đời.
Chính chữ viết là phương tiện lưu giữ và truyền đạt thông tin một cách hiệu quả
mà không bị giới hạn bởi thời gian và không gian. Đi kèm với ứng dụng chữ viết
là các dịch vụ thông tin đưa thư và thông báo. Sau đó với sự ra đời của công nghệ
in đà thúc đẩy hơn nữa việc phát triển phương tiện truyền tin và cho con người có
khả năng thông tin với nhiều người hơn nữa và với các khoảng cách xa hơn.
Từ cuối thế kỉ 18 đầu thế kỉ 19 loài người đà có bước phát triển nhảy vọt khi

công nghệ truyền thanh và truyền thông bằng điện ra đời. Năm 1830, Michael
Faraday tìm ra định luật điện từ trường. Năm 1850, đại số Boolean của George
Boolers đà tạo nền móng cho logic học và phát triển các rơle điện. Trong khoảng
thời gian này đường cáp xuyên Đại Tây Dương được lắp đặt để phục vụ cho
thông tin điện tín. Năm 1870, Maxwell đà đưa ra học thuyết điện từ trường bằng
các công thức toán học. Dựa vào lý thuyết này Henrich Hezt đà truyền đi và nhận
được sóng vô tuyến thành công bằng cách dùng điện trường và tổng đài điện
thoại đầu tiên được thành lập vào năm 1876 ngay sau khi Graham Bell phát minh

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
10

ra điện thoại. Sau khi Guglieno Mareconi của Italy lắp đặt một trạm vô tuyến để
phát tín hiệu điện tín thì thông tin vô tuyến mới bắt đầu ứng dụng rộng rÃi trong
thực tế, cho đến ngày nay thông tin vô tuyến vẫn phát triển không ngừng và góp
phần quan trọng trong thông tin loài người.
Trong lịch sử phát triển viễn thông, con người luôn luôn tìm tòi phát minh ra
các công nghệ truyền dẫn mới. Một trong những phát minh quan trọng nhất và
ảnh hưởng lớn nhất đến hiện tại là công nghệ thông tin quang. Bắt đầu từ những
lý thuyết về ánh sáng ban đầu cùng với phát triển của vật liệu bán dẫn, con người
đà phát minh thông tin quang để truyền tải thông tin với nhiều ưu điểm hơn hẳn
so với các hệ thống thông tin khác. Sự nghiên cứu về thông tin quang hiện đại bắt
đầu bằng phát minh thành công Laser năm 1960 và bằng khuyến nghị của Kao và
Hockham năm 1966 về việc chế tạo sợi quang có tổn thất thấp. Sau đó 4 năm
Kapron đà chế tạo thành công sợi quang có độ suy hao truyền dẫn khoảng

20dB/km. Sau đó vào những năm 70 người ta đà nghiên cứu, phát triển các công
nghệ mới nhằm giảm suy hao đường truyền và tăng dải thông. Năm 1979 người
ta đà chế tạo ra sợi quang có Abastoes có tổn thất chỉ còn 0,18dB/km. Ngày nay
dựa trên công nghệ sợi quang và Laser bán dẫn mà ta có thể truyền khối lượng
lớn dữ liệu đi xa hàng trăm km với sợi quang chỉ bằng sợi tóc mà không cần tái
tạo. Không chỉ dừng ở đó con người còn tìm tòi ra những công nghệ mới hơn nữa
mà tiêu biểu là các hoạt động nghiên cứu trong một lĩnh vực mới photo học. Đây
là một lĩnh vực mới quan trọng đối với tất cả các hệ thống thông tin quang, có
khả năng phát hiện, xử lý, trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng phương tiện ánh
sáng. Cho đến ngày nay thông tin quang đà phát triển mạnh mẽ và đóng vai trò
cực kì quan trọng trong thông tin hiện đại.

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
11

1.2 Vai trò và chức năng của hệ thống thông tin
điện lực trong hệ thống điện
Ngày nay các nhà máy điện, hệ thống truyền tải, phân phối và các hộ tiêu
thụ điện trong hệ thống điện có mối quan hệ chặt chẽ với nhau để tạo thành một
thể thống nhất. Nếu phá vỡ những mối quan hệ đó sẽ dẫn đến những hậu quả
nặng nề cho hệ thống nói riêng và cả nền kinh tế nói chung. Do đó vấn đề thông
tin liên lạc chiếm vị trí rất quan trọng và là thành phần không thể thiếu trong hệ
thống điện. Nó tham gia vào mọi hoạt động quản lý, vận hành, điều khiển hệ
thống điện.
Trong vận hành hệ thống điện để đảm bảo hoạt động đồng bộ, chất lượng

điện năng và độ tin cậy cung cấp điện thì đòi hỏi mạng lưới điều khiển vận hành
phải có mức độ tương ứng với sự trợ giúp của các thiết bị tự động, thiết bị truyền
tin và điều khiển từ xa. Chính nhờ hệ thống thông tin mà chúng ta giám sát và
điều chỉnh được các thông số vận hành, thực hiện được các tín hiệu điều khiển
chỉ huy thao tác cũng như liên động giữa các bảo vệ. Đặc biệt khi xảy ra sự cố
nếu hệ thống thông tin không làm tốt chức năng của mình thì sẽ không kịp thời
xử lý. Điều đó sẽ gây ra những rối loạn cho hệ thống và nếu nặng nề hơn sẽ gây
tan rà hệ thống. Do đó khả năng cung cấp dịch vụ, độ an toàn tin cậy của hệ
thống thông tin đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến sản xuất, truyền
tải và phân phối điện năng.
Ngày nay hệ thống thông tin điện lực thực hiện các chức năng sau:
ã Đáp ứng nhu cầu thông tin vận hành cho các trung tâm điều độ, đảm bảo
thông suốt quá trình trao đổi tín hiệu bảo vệ giữa các rơle.

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HT§


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
12

ã Đảm bảo truyền số liệu tốc độ cao phục vụ công tác đo lường từ xa, tự
động hoá điều khiển hệ thống điện cũng như cho các hệ thống
SCADA/EMS/DMS.
ã Cung cấp các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình quan sát từ xa,
truyền số liệu thời gian thực.
ã Đảm bảo nhu cầu thông tin quản lý cho các cơ quan chức năng, phục vụ
công tác quản lý kinh doanh và phân phối điện năng
ã Tạo khả năng liên kết mạng tổng đài và liên kết mạng truyền số liệu

ã Tăng cường cho mạng viễn thông quốc gia và cung cấp thêm nhiều dịch vụ
viễn thông mới.

1.3 Những vấn đề chung về hệ thống thông tin
1.3.1. Những khái niệm cơ bản
Thông tin là một trong những khái niệm cơ sở quan trọng nhất trong khoa
học kỹ thuật. Nếu vât chất và năng lượng là nền tảng của vật lý và hoá học thì
thông tin lại là chủ thể của tin học và công nghệ thông tin. Đó là cơ sở cho sự
giao tiếp và là thước đo mức nhận thức, sự hiểu biết về một vấn đề, một sự kiện
hoặc một hệ thống.
Dữ liệu là khái niệm dùng để mô tả và lượng hoá thông tin để từ đó có thể
lưu trữ, xử lý trong máy tính.
Lượng thông tin là mức độ của mức giảm tính bất định hay còn được hiểu là
giá trị về sự hiểu biết của một nguồn tin mang lại. Lượng thông tin được đo bằng
đơn vị bit. Ví dụ để khẳng định tính đúng/ sai chỉ cần một bit để ghi mà 1 hoặc 0.
Để biểu diễn hay phân biệt một chữ cái trong bảng ký tự 256 chữ cái và ký hiệu
cần 8 bit.
Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và ®iỊu khiĨn HT§


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
13

Tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số thông
tin/dữ liệu và có thể truyền dẫn được. Theo quan điểm toán học thì tín hiệu được
coi như một hàm của thời gian. Trong các lĩnh vực kỹ thuật các tín hiệu thường
dùng là điện quang, khí nén và thuỷ lực. Các tham số thường dùng trực tiếp, gián
tiếp hay kết hợp để biểu thị nội dung thông tin là biên độ, tần số, nhịp xung, độ

rộng xung, sườn xung và góc pha.
Nếu không phân biệt tính chÊt vËt lý cđa tÝn hiƯu ta cã thĨ ph©n loại tín hiệu
dựa theo tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc dựa theo diễn biến thời gian
thành những loại sau:
ã Tương tự: tham số thông tin có thể có giá trị bất kỳ trong một khoảng nào
đó.
ã Rời rạc: tham số thông tin chỉ có thể có một số giá trị rời rạc nhất định
ã Liên tục: Tín hiệu là một hàm liên tục của biến thời gian trong một khoảng
xác định
ã Gián đoạn: tín hiệu chỉ có ý nghĩa tại những thời điểm nhất định
Giao tiếp hay truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ
thể với nhau, được gọi là các đối tác giao tiếp theo một phương pháp được qui
định trước. Đối tác này có thể quan sát hoặc điều khiển đối tác khác. Các đối tác
giao tiếp có thể là con người, hệ thống kỹ thuật hoặc các chương trình phần mềm.
Khi đối tác giao tiếp là các chương trình phần mềm thì người ta dùng khái niệm
truyền thông thay cho giao tiÕp. §Ĩ thùc hiƯn giao tiÕp ta cần các tín hiệu thích
hợp có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. trong thực tế có nhiều kiểu giao
tiếp như: hình ảnh, tiếng nói, văn bản, dữ liệu trong đó giao tiếp bằng dữ liệu
đóng vai trò quan trọng nhất trong các hệ thống thông tin hiện đại.

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
14

Mà hoá/giải mà là phần quan trọng trong nguyên tắc cơ bản của truyền
thông.

Đối tác
truyền thông

Đối tác
truyền thông

Hệ
MÃthống
hoá/ truyền
GiảI
dẫn mÃ
tín hiệu

MÃ hoá/
Giải mÃ
Hình 1.1

MÃ hoá/
Giải mÃ

Nguyên tắc cơ bản của truyền thông

Trong đó mà hoá là quá trình biến đổi thông tin (dữ liệu) cần trao đổi sang
một chuỗi tín hiệu thích hợp để truyền dẫn. Quá trình này gồm hai bước là mÃ
hoá nguồn và mà hoá đường truyền. Trong quá trình mà hoá nguồn dữ liệu nguồn
được bổ sung các thông tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền dẫn như kiểu dữ liệu,
mà kiểm tra, địa chỉ bên nhận, bên gửi,... Sau khi mà hoá nguồn là mà hoá đường
truyền đây là quá trình tạo tín hiệu tương ứng với các bit trong gói dữ liệu hay
bức điện theo một phương pháp nhất định để phù hợp với đường truyền và kỹ
thuật truyền.

Giải mà là quá trình chuyển đổi các tín hiệu nhận được thành dÃy bit tương
ứng và sau đó xử lý, loại bỏ các thông tin bổ sung để tái tạo thông tin nguồn.
Điều chế và điều biến tín hiệu là hai khái niệm dùng gần giống nhau.
Điều chế là quá trình tạo một tín hiệu trực tiếp mang thông số thông tin thể
hiện qua biên độ, tần số, hoặc pha, trong đó tham số thông tin có thể lấy một giá
trị bất kỳ.

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HT§


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
15

Điều biến chỉ quá trình dùng tín hiệu mang thông tin để điều khiển, biến đổi
các tham số thích hợp của một tín hiệu thứ hai(tín hiệu mang). Mục đích cơ bản
của ®iỊu biÕn lµ sư dơng mét tÝn hiƯu mang cã một dải tần khác để thực hiện
phương pháp dồn kênh chia tần số hoặc để tránh truyền dẫn ở dải cơ sở dễ bị
nhiễu.
Tốc độ truyền, tốc độ bit được tính bằng số bit dữ liệu được truyền tải trong
một gi©y, tÝnh b»ng bit/s (Baud, bdp).
Thêi gian bit/Chu kú bit là khái niệm thường dùng để phân tích đánh giá
tính năng thời gian của một hệ thống truyền thông. Thời gian bit là thời gian
trung bình cần thiết để chuyển một bit, hay chính bằng nghịch đảo của tốc độ bit.
Nếu trong một nhịp chỉ một bit được chuyển đi thì khái niệm thời gian bit trùng
với khái niệm chu kỳ bit.
Tính năng thời gian thực: là một trong những đặc trưng quan trọng nhất của
hệ thống thông tin bởi vì sự hoạt động của các hệ thống kỹ thuật không chỉ phụ
thuộc vào độ chính xác, đúng đắn của kết quả đầu ra mà còn phụ thuộc vào thời

điểm đưa ra kết quả. Hay nói cách khác hệ thống có tính năng thời gian thực phải
có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các
đối tác truyền thông. Để đảm bảo tính năng thời gian thực một hệ thống thông tin
cần có những đặc điểm sau:
ã Độ nhanh nhạy: tốc độ truyền thông hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu
cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể.
ã Tính tiền định: dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời
gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm.
ã Độ tin cậy, kịp thời: đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu
một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định.
ã Tính bền vững: có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây hại
cho toàn bộ hệ thống.

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và ®iỊu khiĨn HT§


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
16

1.3.2 Các chế độ truyền tin
Chế độ truyền tin được hiểu là phương thức truyền các bit dữ liệu giữu các
đối tác truyền thông,có thể nhìn nhận từ các góc độ sau đây:
ã Truyền song song hay nối tiếp
ã Truyền đồng bộ hay không đồng bộ
ã Truyền một chiều (simplex), hai chiều toàn phần (duplex) hay hai chiều gián
đoạn (half-duplex)
ã Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng
Chế độ truyền song song và chế độ truyền nối tiếp

Truyền bít song song là chế độ truyền mà các bit được truyền đồng thời với
nhau. Phương pháp này được sử dụng phổ biến ở những nơi yêu cầu cao về thời
gian và tốc độ truyền như trong các bus địa chỉ, bus dữ liệu, bus điều khiển của
nội bộ máy tính. Nhược điểm của phương pháp này là phải giải quyết vấn đề
đồng bộ hoá tại nơi phát và nơi nhận tín hiệu, giá thành cao và chỉ sử dụng ở
khoảng cách nhỏ.
Truyền bit nối tiếp là chế độ mà từng bit được truyền tuần tự qua một đường
truyền duy nhất. Phương pháp này tuy hạn chế về tốc độ truyền nhưng lại thực
hiện đơn giản và độ tin cậy cao nên được sử dụng rộng rÃi trong các mạng truyền
thông công nghiệp.
Hai phương pháp truyền được minh hoạ trong hình 1.2.

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
17

1
0
1
0
0
1
0
1

10100101

Truyền bit song song

Truyền bit nối tiếp

Hình 1.2

Các chế độ truyền bit

Chế độ truyền đồng bộ và không đồng bộ:
Chế độ truyền đồng bộ là chế độ truyền mà các đối tác truyền thông làm việc
theo cùng một nhịp, tức với cùng tần số và độ lệch pha cố định. Để thực hiện
được phương pháp này có thể qui định một trạm có vai trò tạo nhịp và dùng một
đường dây riêng mang nhịp đồng bộ cho các trạm khác. hoặc dùng phương pháp
mà hoá bit thích hợp để bên nhận có thể tái tạo nhịp đồng bộ từ chính tín hiệu
mang dữ liệu. Nếu phương pháp mà hoá bit không cho phép thì có thể dùng kỹ
thuật đóng gói dữ liệu và bổ sung một dÃy bit mang thông tin đồng bộ hoá vào
phần đầu mỗi gói dữ liệu. Lưu ý bên nhận và bên gửi chỉ đồng bộ khi trao đổi dữ
liệu.
Chế độ truyền không đồng bộ là phương pháp truyền mà bên nhận và bên gửi
không làm việc theo một nhịp chung/. Dữ liệu trao đổi thường được chia thành
từng nhóm 7 hoặc 8 bit gọi là ký tự. Các ký tự được chuyển đi vào những thời
điểm không đồng đều và cần thêm hai bit đánh dấu khởi đầu và kết thúc cho mỗi
ký tự. Việc đồng bộ hoá được thực hiện với từng ký tự.

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiĨn HT§


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
18

Chế độ truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn:
Chế độ truyền một chiều là chế độ mà thông tin được truyền đi theo một chiều
xác định, một trạm chỉ có thể đóng vai trò bên nhận hoặc bên phát trong suốt quá
trình giao tiếp.
Chế độ truyền hai chiều gián đoạn là chế độ cho phép mỗi trạm có thể tham
gia gửi hoặc nhận thông tin nhưng không cùng một lúc. Mỗi trạm có cả một bộ
phát và một bộ nhận nếu bộ phát làm việc thì bộ thu nghỉ và ngược lại. Chế độ
truyền này thích hợp với mạng có cấu trúc bus và người ta sử dụng các phương
pháp truy nhập bus để tránh xung đột tín hiệu.
Chế độ truyền hai chiều toàn phần là chế độ truyền cho phép mỗi trạm có thể
gửi và nhận thông tin cùng một lúc. Thực chất chế độ này sử dụng hai đường
truyền riêng biệt cho thu và phát. Chế độ truyền này thích hợp với cấu trúc mạch
vòng và cấu trúc hình sao.
Truyền tải dải cơ sở, dải mang và truyền tải dải rộng:
Truyền tải dải cơ sở: một tín hiƯu mang ngn th«ng tin cã thĨ biĨu diƠn b»ng
tỉng của nhiều dao động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp gọi là
dải tần cơ sở hay dải hẹp. Tín hiệu truyền đi cũng chính là tín hiệu được tạo ra
sau khi mà hoá bit. Trong phương pháp này thì tần số của tín hiệu thường nhỏ
hơn hoặc tần số nhịp bus nên trong một nhịp chỉ có thể truyền đi một bit và
đường truyền chỉ có thể mang một kênh thông tin duy nhất do đó mọi thành viên
trong mạng phải phân chia thời gian ®Ĩ sư dơng ®­êng trun.
Trun t¶i d¶i mang: khi trun tải ở dải tần cơ sở không thích hợp như bị
nhiễu thì người ta sử dụng một tín hiệu khác gọi là tín hiệu mang có tần số nằm
trong dải thích hợp gọi là dải mang, thường lớn hơn nhiều so với tần số nhịp. Dữ
liệu cần truyền đi sẽ dùng để điều chế tần số, biên độ hoặc pha của tín hiệu

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
19

mang. Bên nhận sẽ thực hiện quá trình giải điều chế để khôi phục thông tin
nguồn.
Truyền tải dải rộng: một tín hiệu có thể chứa đựng nhiều nguồn thông tin khác
nhau bằng cách sử dụng kết hợp nhiều thông số thông tin như xếp chồng nhiều
tín hiệu có tần số khác nhau mang nhiều nguồn thông tin khác nhau. Sau khi
nhiều nguồn thông tin khác nhau được mà hoá bit, mỗi tín hiệu được tạo ra sẽ
dùng để điều biến một tín hiệu khác có tần số lớn hơn nhiều gọi là tín hiệu mang.
Các tín hiệu mang đà được điều biến có tần số khác nhau nên có thể pha trộn,
xếp chồng thành một tín hiệu duy nhất có phổ trải rộng. Tín hiệu này cuối cùng
lại được dùng để điều biến một tín hiệu mang khác và tín hiệu thu được từ khâu
này mới được truyền đi. Đây chính là kỹ thuật dồn kênh phân tần trong truyền tải
thông tin. Phía bên nhận sẽ thực hiện việc giải điều chế và phân kênh, khôi phục
các tín hiệu mang các nguồn thông tin khác nhau.
1.3.3 Giao thức thông tin và một số cấu trúc mạng
Giao thức và dịch vụ truyền thông:
Giao thức là các quy tắc, thủ tục mà bên cung cấp dịch vụ cũng như bên sử
dụng dịch vụ đều phải tuân theo trong quá ttrình giao tiếp. Giao thức chính là
ngôn ngữ chung cho các đối tác giao tiếp và là cơ sở cho việc thực hiện và sử
dụng các dịch vụ truyền thông.
Một quy chuẩn giao thức bao gồm các thành phần sau:
- Cú pháp: quy định về cấu trúc gói dữ liệu bao gồm cả phần thông tin hữu ích
và các thông tin phụ trợ như địa chỉ, thông tin kiểm tra lỗi,...
- Ngữ nghĩa: quy định ý nghÜa cơ thĨ cđa tõng phÇn trong mét gãi dữ liệu như

phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu,...

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
20

- Định thời: quy định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền, tốc độ
truyền thông,...
Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứng
được gọi là xử lý giao thức và đó chính là mà hoá (xử lý giao thức bên gửi) và
giải mà (xử lý giao thức bên nhận).
Người ta phân biệt giao thøc cao cÊp vµ giao thøc cÊp thÊp. Giao thức cấp thấp
thường gần với phần cứng và thường được thực hiện trực tiếp bởi các mạch điện
tử như TCP/IP (dùng trong Internet), HART (dùng trong điều khiển quá trình),
UART (dïng trong giao diƯn vËt lý ccđa c¸c hƯ thèng bus tr­êng). Giao thøc cao
cÊp gÇn víi ng­êi sư dơng và thường được thực hiện bằng phần mềm như HTTP
(dùng trong øng dơng Web), MMS ( dïng trong tù ®éng hoá công nghiệp)
Liên kết và cấu trúc mạng:
Liên kết là mối quan hệ vật lý hoặc logic giữa hai hoặc nhiều đối tác truyền
thông. Đối với liên kết vật lý thì các đối tác truyền thông chính là các trạm truyền
thông được liên kết với nhau qua môi trường vật lý. Đối với liên kết logic thì các
đối tác trruyền thông có thể là phần cứng nhưng cũng có thể là phần mềm và
quan hệ giữa các đối tác mang tính chất logic.
Có thể phân biệt các kiểu liên kết sau đây:
ã Liên kết điểm - điểm : mối liên kết chỉ có hai đối tác tham gia.
ã Liên kết ®iĨm - nhiỊu ®iĨm: trong mét mèi liªn kÕt cã nhiều đối tác tham gia

tuy nhiên chỉ có một đối tác cố định duy nhất (trạm chủ) có khả năng phát
trong khi đó nhiều đối tác còn lại (trạm tớ) thu nhËn th«ng tin cïng mét lóc.
ViƯc giao tiÕp theo chiều ngược lại từ trạm tớ lên trạm chủ được thực hiện
theo kiểu điểm - điểm.

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ


Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
21

ã Liên kết nhiều điểm: trong mối liên kết có nhiều đối tác tham gia và có thể
trao đối thông tin với nhau tù do theo bÊt kú h­íng nµo. BÊt cø trạm nào
cũng có quyền phát và bất cứ trạm nào cũng nghe được.
Cấu trúc mạng là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng nhưng cũng có
thể là cách sắp xếp logic của các nút mạng, cách định nghĩa về mặt tổ chức logic
các mối liên kết giữa các nút mạng. Các dạng cấu trúc mạng cơ bản là cấu trúc
bus, mạch vòng tích cực và hình sao.
Cấu trúc bus
Với cấu trúc đơn giản tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp
với một ®­êng dÉn chung. Cã thĨ ph©n biƯt ba kiĨu cÊu hình trong cấu trúc bus
là: daisy-chain, trunk-line/drop-line và mạch vòng không tích cực.
Với daisy-chain mỗi trạm được nối mạng trực tiếp tại giao lộ của hai đoạn dây
dẫn, không qua một đoạn dây dẫn nối phụ nào. Với cấu hình trunk-line/drop-line
mỗi trạm được nối qua một đường nhánh (drop-line) để đến đường trục (trunkline). Còn mạch vòng không tích cực cũng là cấu trúc trunk-line/drop-line nhưng
đường truyền được khép kín. Các cấu trúc bus được mô tả trong hình 1.3.

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc sỹ
22
Trunk-line
Drop-line Drop-line Drop-line

Trunk-line/drop-line

Daisy-chain

Mạch vòng không tích cực

Hình 1.3

Một số cấu trúc bus

Cấu trúc bus có ưu điểm là đơn giản, tiết kiệm dây, dễ thực hiện, không bị
ảnh hưởng khi hỏng hóc một trạm do đó được ứng dụng rộng rÃi trong hệ thống
thông tin và mạng công nghiệp. Tuy nhiên vì chung một dây dẫn nên đòi hỏi phải
có phương pháp truy nhập bus phân chia thời gian sử dụng để tránh xung đột tín
hiệu. Nguyên tắc truyền thông là tại mỗi thời điểm nhất định chỉ có một thành
viên trong mạng được gửi tín hiệu còn các thành viên khác chỉ có quyền nhận.
Ngoài ra cấu trúc bus có những nhược điểm sau:
- Vì tín hiệu gửi đi không theo một trình tự kiểm soát được nên phải gán địa
chỉ logic theo kiểu thủ công cho từng trạm.
- Vì các trạm có khả năng phát và phải luôn nghe đường truyền nên phải thiết
kế sao cho đủ tải với số trạm tối đa do đó hạn chế số trạm trong một đoạn

mạng và khi cần mở rộng mạng phải dùng thêm các bộ lặp.

Đề tài: Hệ thống thông tin điện lực trong bảo vệ và điều khiển HTĐ