Hệ thống Mini SCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110 KV miền Bắc

ĐÀO QUANG MINH

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

ĐÀO QUANG MINH

HỆ THỐNG ĐIỆN

HỆ THỐNG MINI SCADA ÁP DỤNG CHO CÁC TRẠM BIẾN ÁP 110kV
MIỀN BẮC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN
2008 - 2010
Hà Nội – 2010


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

HỆ THỐNG MINI SCADA ÁP DỤNG CHO CÁC TRẠM BIẾN ÁP 110kV MIỀN BẮC

NGÀNH : HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Nguời hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT

Hà Nội – 2010


Mở đầu ...................................................................................................................... 1
Chương I: Cơ sở kỹ thuật truyền thông ............................................................... 4
1.1 Chế độ truyền tải thông tin ................................................................................. 4
1.2 Cấu trúc mạng ..................................................................................................... 8
1.3 Các tiêu chuẩn thông tin trong hệ thống điện ..................................................... 13
1.4 Giao thức IEC 61850 .......................................................................................... 20
1.5 Giao thức sử dụng cho việc truyền tin đi xa ....................................................... 25
1.6 Kết luận............................................................................................................... 27
Chương II: Hệ thống SCADA và các ứng dụng trong Hệ thống điện ............... 28
2.1 Dữ liệu thời gian thực và sự cần thiết................................................................. 28
2.2 Hệ thống quản lý mạng....................................................................................... 29
2.3 Hệ thống liên lạc SCADA .................................................................................. 33
2.4 Các chức năng hệ thống SCADA ....................................................................... 39
2.5 Kết luận............................................................................................................... 44
Chương III: Thực trạng thiết bị, tự động hóa và điều khiển trong lưới điện 110kV do
Công ty Lưới điện cao thế miền Bắc quản lý ....................................................... 45
3.1 Giới thiệu chung về lưới điện 110kV ................................................................ 45
3.2 Hiện trạng thiết bị và hệ thống điều khiển ......................................................... 47
3.3 Kết luận .............................................................................................................. 51
Chương IV: Hệ thống miniSCADA ứng dụng cho các trạm 110kV.................. 53
4.1 Mơ hình hệ thống miniSCADA .......................................................................... 53
4.2 Kiến trúc hệ thống tích hợp điều khiển trạm ...................................................... 55
4.2.1 Trao đổi thông tin giữa các thiết bị trong hệ thống tích hợp ........................... 56
4.2.2 Yêu cầu kỹ thuật chính của hệ thống tích hợp điều khiển trạm ...................... 61
4.2.3 Yêu cầu của hệ thống máy tính sử dụng tại trạm ........................................... 61
4.3 Hệ thống thu thập dữ liệu tại Công ty Lưới điện cao thế ................................... 62
4.4 Cấu trúc hệ thống tại các trung tâm điều khiển .................................................. 64

4.5 Giải pháp xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp đối với các trạm 110kV miền Bắc
hiện nay..................................................................................................................... 67


4.6 Xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp cho trạm 110kV Phù Chẩn .................. 71
4.6.1 Tổng quan về trạm 110kV Phù Chẩn - Bắc Ninh............................................ 71
4.6.2 Giải pháp công nghệ SCADA cho trạm 110kV Phù Chẩn.............................. 74
4.6.2.1 Danh sách dữ liệu SCADA........................................................................... 74
4.6.2.2 Giải pháp xây dựng hệ thống tích hợp điều khiển trạm ............................... 76
4.7 Kết nối các thiết bị trong hệ thống Mini SCADA .............................................. 81
4.7.1 Sơ đồ kết nối các thiết bị chính trong hệ thống ............................................... 81
4.7.2 Cấu hình hệ thống điều khiển máy tính cho trạm 110kV ............................... 83
4.7.3 Các giao diện máy tính của hệ thống tích hợp điều khiển trạm ...................... 90
4.7.4 Các chức năng chính của hệ thống tích hợp điều khiển .................................. 100
4.8 So sánh cấu trúc hệ thống điều khiển máy tính của trạm 110kV với hệ thống điều
khiển tích hợp trạm 220kV ....................................................................................... 101
4.9 Kết luận............................................................................................................... 103
Chương V: Hiệu quả của mơ hình mini SCADA và các kiến nghị .................... 104
5.1 Những hiệu quả mang lại khi áp dụng mơ hình mini - SCADA ........................ 104
5.2 Những khó khăn khi trển khai mơ hình miniSCADA ........................................ 106
5.3 Những kiến nghị ................................................................................................. 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 108
CÁC PHỤ LỤC


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các chế độ truyền tin .............................................................................. 5
Hình 1.2: Cấu trúc point-to-multipoint tại Trung tâm điều độ ............................... 9
Hình 1.3: Cấu trúc bus ............................................................................................. 10
Hình 1.4: Cấu trúc dạng mạch vịng ........................................................................ 11

Hình 1.5: Cấu trúc mạng hình cây ........................................................................... 11
Hình 1.6: Cấu trúc mạng dạng sao .......................................................................... 12
Hình 1.7: Mơ hình kiến trúc OSI ............................................................................. 14
Hình 1.8: Các tiêu chuẩn thơng tin liên lạc được sử dụng trong trạm ................... 18
Hình 1.9: Các chuẩn thơng tin liên lạc với bên ngồi trạm ..................................... 19
Hình 1.10: Xu hướng chuẩn trao đổi thông tin hiện nay ......................................... 20
Hình 1.11: Kiến trúc chức năng trong IEC 61850 ................................................... 22
Hình 1.12: Các mức được phân chia trong mơ hình thơng tin ................................ 23
Hình 1.13: Khái niệm về ngăn lộ.............................................................................. 24
Hình 1.14: Cấu trúc dữ liệu trong 1 thơng điệp của IEC60870-5-101 .................... 26
Hình 1.15: Ngăn xếp của giao thức IEC60870-5-104 ............................................. 26
Hình 2.1: Chu trình đo lường, thơng tin, vận hành hệ thống điện .......................... 28
Hình 2.2: Các ứng dụng của SCADA ...................................................................... 30
Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của phần cứng trung tâm ............................................. 33
Hình 2.4: Cấu trúc kiểu point - to – point ................................................................ 34
Hình 2.5: Cấu trúc kết nối nối tiếp ......................................................................... 34
Hình 2.6: Cấu trúc sao - nối tiếp .............................................................................. 35
Hình 2.7: Cấu trúc kết nối kiểu điểm nhiều điểm (multi-drop) ............................... 35
Hình 2.8: Một số kênh liên lạc trong hệ thống SCADA .......................................... 37
Hình 2.9: Chức năng thu thập dữ liệu ..................................................................... 40
Hình 2.10: Chức năng chỉ thị trạng thái ................................................................. 40
Hình 2.11: Đo lường giá trị tương tự ...................................................................... 41
Hình 2.12: Cơ sở dữ liệu phục vụ cho tính tốn ..................................................... 42
Hình 3.1: Mơ hình thơng tin, phân quyền điều khiển tại các trạm 110kV ............... 50


Hình 4.1: Mơ hình thơng tin tổng thể hệ thống miniSCADA ................................... 53
Hình 4.2: Mơ hình thơng tin khi áp dụng mini SCADA ........................................... 54
Hình 4.3: Kiến trúc tại các mức trong trạm biến áp ................................................ 55
Hình 4.4: Cấu trúc vận hành của hệ thống tích hợp ............................................... 57

Hình 4.5: Mơ hình trao đổi dữ liệu giữa các mức.................................................... 58
Hình 4.6: Lược đồ khái niệm trao đổi thơng tin....................................................... 59
Hình 4.7: Kiến trúc phần cứng hệ thống .................................................................. 63
Hình 4.8: Kiến trúc hệ thống trung tâm quản lý ...................................................... 64
Hình 4.9: Kết cấu hệ thống trung tâm điều khiển .................................................... 65
Hình 4.10: Mơ hình hệ thống tích hợp cho các trạm mới ........................................ 68
Hình 4.11: Mơ hình các trạm đang được trang bị RTU hiện nay ............................ 69
Hình 4.12: Mơ hình khi xây dựng hệ thống tích hợp................................................ 69
Hình 4.13: Mơ hình hệ thống tích hợp áp dụng ....................................................... 70
Hình 4.14: Sơ đồ nối điện chính của trạm E27.8 đã được phê duyệt ...................... 72
Hình 4.15: Giải pháp lắp đặt BCU phía 110kV ....................................................... 77
Hình 4.16: Sơ đồ điều khiển bảo vệ phía 22kV ....................................................... 79
Hình 4.17: Hệ thống một chiều, xoay chiều trạm 110kV Phù Chẩn ........................ 80
Hình 4.18: Kết nối các thiết bị tổng thể trong hệ thống tích hợp ............................ 81
Hình 4.19: Sơ đồ kết nối các rơ le bảo vệ và BCU phía 110kV ............................... 82
Hình 4.20: Sơ đồ kêt nối các rơ le bảo vệ phía 22kV ............................................... 82
Hình 4.21: Khối điều khiển ngăn lộ 6MD63 – Siemens ........................................... 84
Hình 4.22: Giao diện tổng quan tồn bộ hệ thống điều khiển ................................. 91
Hình 4.23: Giao diện tổng quan trạm 110kV Phù Chẩn .......................................... 92
Hình 4.24: Giao diện các ngăn lộ ............................................................................ 94
Hình 4.25: Giao diện ngăn lộ máy biến áp .............................................................. 94
Hình 4.26: Màn hình danh sách cảnh báo tại từng ngăn lộ .................................... 96
Hình 4.27: Giao diện hệ thống AC/DC .................................................................... 98
Hình 4.28: Giao diện rơ le ....................................................................................... 99
Hình 4.29: Bảng báo cáo thơng số vận hành ........................................................... 100


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

MỞ ĐẦU

1. Thực trạng hệ thống thông tin tại các trạm 110kV và lý do chọn đề tài
Quá trình sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng của hệ thống điện Việt
Nam (cũng như trên toàn thế giới) được phân bố rất rộng khắp về mặt địa lý. Do đó
để có thể vận hành an tồn, ổn định và kinh tế thì một phần khơng thể thiếu được là
trao đổi thông tin.
Lưới điện 110kV miền Bắc do Công ty Lưới điện cao thế miền Bắc quản lý
đã và đang ngày càng phát triển, trung bình mỗi năm số trạm 110kV tăng khoảng 10
trạm và hơn 200km đường dây 110kV. Tuy nhiên do nhiều trạm xây dựng đã lâu
hoặc xây dựng mới nhưng chưa đồng bộ cho nên cơ sở vật chất và các phương tiện
phục vụ cho việc trao đổi thông tin vận hành, công tác điều hành hiện nay cịn thơ
sơ và chưa đáp ứng được với tốc độ phát triển cần thiết cho việc vận hành an tồn,
ổn định lưới điện.
Việc tiếp nhận, phân tích xử lý cũng như lưu trữ thông tin dữ liệu cho đến
nay vẫn được tiến hành thủ công, các thông tin cần thiết về lưới điện chỉ được thu
thập khi có một u cầu cụ thể nào đó (ví dụ khi xảy ra sự cố: nhân viên trực vận
hành trạm kiểm tra tình trạng của các thiết bị, khai thác thông tin sự cố qua các rơ le
và báo cáo về các cấp điều độ liên quan thông qua điện thoại) dẫn tới kéo dài thời
gian xử lý tình huống. Ngồi ra việc cập nhật thơng số cũng chưa được diễn ra
thường xuyên và có hệ thống, lưu trữ dữ liệu hầu hết vào các sổ ghi thông số dẫn
đến việc truy xuất dữ liệu khi cần thiết rất mất thời gian và phức tạp, chưa kể đến
trình độ của các nhân viên vận hành trạm là khác nhau do đó mức độ tin cậy trong
việc truyền đạt, lưu trữ các thông tin vận hành cũng là một vấn đề đáng quan tâm.
Xuất phát từ thực tiễn công việc, các yêu cầu cấp thiết đối với việc theo dõi
giám sát, điều khiển các thiết bị tại các trạm 110kV là nguyên nhân cho việc tìm
hiểu và nghiên cứu ứng dụng một hệ thống miniSCADA cho các trạm biến áp
110kV miền Bắc, đề tài của bản luận văn này.

1

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu cơ bản của luận văn này là tìm hiểu và nghiên cứu về SCADA áp
dụng trong Hệ thống điện từ đó dẫn đến việc đề xuất giải pháp kỹ thuật xây dựng hệ
thống miniSCADA cho các trạm 110kV miền Bắc.
Để có được bất kì một hệ thống nào hồn chỉnh cũng đều phải có nhiều khâu,
nhiều bộ phận, nhiều q trình cấu thành. Hệ thống SCADA khơng nằm ngồi qui
luật đó. Chính vì vậy, luận văn cũng đề cập và tìm hiểu tới các thành phần, các yếu
tố có liên quan trực tiếp đến việc xây dựng một hệ thống mini SCADA cho các trạm
110kV, với mục đích có được một cái nhìn đầy đủ và tồn diện hơn.
Người viết cũng hy vọng qua bản luận văn này sẽ tìm hiểu và nắm bắt được
một lĩnh vực cơng nghệ tiên tiến được ứng dụng trong hệ thống điện, các tiêu quy
định, tiêu chuẩn mới được yêu cầu với các thiết bị trong trạm biến áp của EVN và
với kết quả từ việc xây dựng hệ thống miniSCADA sẽ có thêm những kiến thức
mới, đề ra các giải pháp cải tạo hệ thống tự động điều khiển, giám sát và thu thập dữ
liệu cho trạm biến áp 110kV miền Bắc hiện nay.
3. Bố cục của luận văn
Để thực hiện mục đích nghiên cứu như đã trình bày ở trên, bản luận văn này
được trình bày trong 5 chương chính và một phần phụ lục. Nội dung cụ thể của mỗi
phần này là:
Chương 1: "Cơ sở kỹ thuật truyền thơng" trình bày về những khái niệm cơ
bản về việc truyền thông tin. Chương này cũng tìm hiểu về giao thức và các chuẩn
thông tin liên lạc dùng trong Hệ thống điện và giới thiệu về giao thức truyền thông
IEC 61850, IEC 60780 -101/104.
Chương 2: "SCADA và các ứng dụng trong Hệ thống điện" tập trung tìm
hiểu về cấu trúc và hoạt động của một hệ thống giám sát điều khiển và thu nhập dữ
liệu SCADA tổng quan trong Hệ thống điện.
Chương 3: "Hiện trạng trang thiết bị, tự động hoá và điều khiển tại lưới điện
110kV do Công ty Lưới điện cao thế miền Bắc quản lý". Chương này nêu ra thực

2


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

trạng và nhu cầu của việc xây dựng hệ thống miniSCADA cho lưới điện 110kV khu
vực miền Bắc.
Chương 4: "Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm 110kV miền Bắc".
Tồn bộ chương này trình bày giải pháp áp dụng mơ hình miniSCADA cho các
trạm 110kV miền Bắc và xây dựng hệ thống tích hợp điều khiển giám sát cho trạm
110kV Phù Chẩn - Bắc Ninh.
Chương 5: “Hiệu quả của mơ hình miniSCADA và những kiến nghị” - trong
chương này phân tích những lợi ích mang lại khi triển khai hệ thống miniSCADA
tại các trạm 110kV, những khó khăn khi triển khai và kiến nghị thực hiện.
Phần tài liệu tham khảo
Phần phụ lục.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội đã truyền thụ kiến thức và phương pháp nghiên cứu khoa học, đặc biệt là Tiến
sĩ Nguyễn Xuân Hoàng Việt đã đầu tư thời gian, kiến thức và kinh nghiệm giúp đỡ
tơi hồn thành luận văn này.

3


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

CHƯƠNG I: CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
Để có thể kết nối các thiết bị với nhau cần phải có phương thức truyền thơng,
đây là phần quan trọng trong hệ thống, nó góp phần kết nối các phần tử trong hệ

thống lại với nhau. Đặc biệt là đối với Hệ thống điện, khối lượng thông tin cần trao
đổi rất lớn và ngày càng được mở rộng, việc kết nối các thiết bị một mặt phải đảm
bảo độ tin cậy của đường truyền, một mặt phải đáp ứng được tốc độ truyền tin. Để
có được cái nhìn tổng quan về phương thức truyền thơng ta tìm hiểu các phần sau:
1.1. Chế độ truyền tải thông tin
Chế độ truyền tải được hiểu là phương thức các bit dữ liệu được chuyển giữa
các đối tượng truyền thông gồm:
-

Truyền song song hay nối tiếp.

-

Truyền đồng bộ hay không đồng bộ

-

Truyền một chiều (simplex), hai chiều toàn phần (duplex, full- duplex) hay
hai chiều gián đoạn (half- duplex).

-

Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng.

1.1.1. Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp
Truyền bit song song:
Phương pháp truyền bit song song được dùng phổ biến trong các bus nội bộ
của máy tính. Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số kênh dẫn hay chính là độ rộng của
một bus song song. Việc nhiều bit được truyền đi đồng thời gây trở ngại lớn khi
khoảng cách giữa các đối tác truyền thơng tăng lên vì khó đồng bộ giữa bên thu và

bên phát, khối lượng dây dẫn sử dụng lớn. Chính vì vậy phạm vi ứng dụng của
phương pháp truyền này chỉ hạn chế ở khoảng cách nhỏ, có yêu cầu cao về thời gian
và tốc độ truyền.
Truyền bit nối tiếp:
Đào Quang Minh

4


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
Với phương pháp này, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua một
đường truyền duy nhất. Tốc độ bit vì thế bị hạn chế nhưng cách thực hiện lại đơn
giản, độ tin cậy của dữ liệu cao. Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử
dụng phương pháp truyền này.
1.1.2. Truyền đồng bộ và không đồng bộ
Sự phân biệt giữa chế độ truyền đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên quan tới
phương thức truyền bit song song. Trong chế độ này các đối tác truyền thông làm
việc theo cùng một nhịp, tức là với cùng tần số và độ lệch pha cố định .
1.1.3. Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn

10110101
Simplex

Bộ phát

Bộ thu
10110101

Half-duplex

Bộ thu phát

Bộ thu phát
10110101

Duplex

Bộ thu phát

Bộ thu phát
Hình 1.1: Các chế độ truyền tin

Truyền một chiều (Simplex)
Trong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ được chuyển đi theo một chiều,
một trạm chỉ có thể đóng vai trị hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên nhận thông tin
(receiver) trong suốt quá trình giao tiếp.
Truyền hai chiều gián đoạn (Half-duplex)
Chế độ truyền 2 chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi hoặc
nhận thơng tin nhưng khơng cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao đổi theo cả
hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý. Một ưu điểm của chế độ

Đào Quang Minh

5


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
này là khơng địi hỏi cấu hình hệ thống phức tạp lắm, trong khi có thể đạt được tốc
độ truyền tương đối cao.
Truyền hai chiều toàn phần (Duplex)

Với chế độ truyền hai chiều toàn phần, mỗi trạm đều có thể gửi hoặc nhận
thơng tin cùng một lúc. Thực chất chế độ này chỉ khác với chế độ truyền hai chiều
gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát, tức là
khác ở cấu hình hệ thống truyền thơng.
1.1.4. Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng
Truyền tải dải cơ sở.
Một tín hiệu mang một nguồn thơng tin có thể biểu diễn bằng tổng của nhiều
dao động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp được gọi là dải tần cơ sở
hay dải hẹp. Tín hiệu được truyền đi cũng chính là tín hiệu được tạo ra sau khi mã
hố bit nên có tần số cố định hoặc nằm trong một khoảng hẹp nào đó, tuỳ thuộc vào
phương pháp mã hố bit. Đường truyền chỉ có thể mang một kênh thông tin duy
nhất, mọi thành viên trong mạng phải phân chia thời gian để sử dụng đường truyền.
Tốc độ truyền tải vì thế tuy có bị hạn chế nhưng phương pháp này dễ thực hiện và
tin cậy, được dùng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp.
Truyền tải dải mang.
Trong một số trường hợp, dải tần cơ sở khơng tương thích trong mơi trường
làm việc, người ta sử dụng một tín hiệu khác - gọi là tín hiệu mang có tần số nằm
trong một dải tần thích hợp - dải mang. Dải tần này thường lớn hơn nhiều so với tần
số nhịp. Dữ liệu cần truyền tải sẽ dùng để điều chế tần số, biên độ hoặc pha của tín
hiệu mang. Bên nhận sẽ thực hiện q trình giải điều chế để hồi phục thơng tin
nguồn. Khác với truyền tải dải rộng nêu dưới đây, phương thức truyền tải dải mang
chỉ áp dụng cho một kênh truyền duy nhất, giống như truyền tải dải cơ sở.
Truyền tải dải rộng.
Đào Quang Minh

6


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
Sau khi nhiều nguồn thông tin khác nhau đã được mã hố bit, mỗi tín hiệu

được tạo ra sẽ dùng để điều biến một tín hiệu khác, thường có tần số lớn hơn nhiều
gọi là tín hiệu mang. Các tín hiệu mang đã được điều biến có tần số khác nhau nên
có thể pha trộn, xếp chồng thành một tín hiệu duy nhất có phổ tần trải rộng. Tín
hiệu này cuối cùng lại được dùng để điều biến một tín hiệu mang khác. Tín hiệu thu
được từ khâu này mới được truyền đi. Phía bên nhận sẽ thực hiện việc giải điều biến
và phân kênh hồi phục các tín hiệu mang các nguồn thơng tin khác nhau.
Phương thức truyền tải dải rộng và kỹ thuật dồn kênh được dùng rộng rãi
trong các mạng viễn thông bởi tốc độ cao và khả năng truyền song song nhiều
nguồn thông tin. Tuy nhiên, vì đặc điểm phạm vi mạng, lý do giá thành thực hiện và
tính năng thời gian, truyền tải băng rộng cũng như kỹ thuật dồn kênh hầu như
không đóng vai trị gì trong các hệ thống truyền thơng cơng nghiệp.
1.1.5. Đường truyền vật lý.
Mạng máy tính - mạng công nghiệp là phương pháp tổ chức một tập hợp các
máy tính, các thiết bị tự động hố được nối với nhau bởi các đường truyền vật lý
theo một cấu trúc nào đó.
Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu điện giữa các máy tính, giữa
các thiết bị tự động hoá hay giữa các thiết bị trong mạng với nhau. Các tín hiệu điện
đó biểu diễn các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân (on-off). Tất cả các tín
hiệu được truyền đều thuộc một dạng sóng điện từ nào đó và mỗi loại sóng điện từ
có những thiết bị phương tiện truyền dẫn riêng.
Khi xem xét lựa chọn đường truyền vật lý cần chú ý tới các đặc trưng cơ bản:
dải thông (band width), độ suy giảm và nhiễu.
Dải thơng của một đường truyền chính là phạm vi tần số mà nó có thể đáp
ứng được. Đối với cáp truyền dải thơng của nó phụ thuộc vào độ dài. Cáp ngắn nói
chung có dải thơng lớn hơn so với cáp dài. Bởi vậy khi thiết kế cáp cho mạng phải

Đào Quang Minh

7

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
chỉ rõ độ dài chạy cáp tối đa, vì ngồi giới hạn đó chất lượng truyền tín hiệu khơng
cịn được đảm bảo.
Độ suy giảm là độ đo sự yếu đi của tín hiệu trên đường truyền. Nó cũng phụ
thuộc vào độ dài cáp.
Nhiễu: gây bởi điện từ bên ngồi làm ảnh hưởng đến tín hiệu trên đường
truyền.
1.2. Cấu trúc của mạng (Topology):
Kiến trúc mạng (Network Architecture) thể hiện cách các máy tính, các thiết
bị tự động nối với nhau ra sao và tập hợp các quy tắc, các quy ước mà tất cả các
thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo cho mạng hoạt
động tốt. Cách nối này gọi là cấu trúc (topology) của mạng (hay là tơpơ của mạng).
Có hai kiểu nối mạng chủ yếu là điểm - điểm (point-to-point) và quảng bá
(point-to-multipoint):
- Nếu một mạng chỉ gồm hai nút được nối trực tiếp với nhau thì được gọi là
mạng có cấu trúc điểm - điểm (point-to-point structure). Theo kiểu điểm - điểm thì
các đường truyền nối với nhau và mỗi nút đều có trách nhiệm lưu trữ tạm thời sau
đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho tới đích.
- Nếu một mạng gồm nhiều nút, liên kết với nhau theo kiểu quảng bá (Cấu
trúc kiểu đường thẳng, vịng, hình sao, hình cây) thì tất cả các nút có chung một
đường truyền vật lý. Dữ liệu được gửi đi từ một nút nào đó sẽ có thể được tiếp nhận
bởi tất cả các nút còn lại nên chỉ cần chỉ ra địa chỉ đích của dữ liệu để mỗi nút căn
cứ vào đó để kiểm tra xem dữ liệu có phải dành cho mình khơng.

Đào Quang Minh

8

Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Hình 1.2: Cấu trúc point-to-multipoint tại Trung tâm điều độ
Hiện nay, các hệ thống SCADA/EMS của Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia
(A0), HTĐ miền Bắc (A1), HTĐ miền Nam (A2) và HTĐ miền Trung (A3) đang
thực hiện cấu trúc (point-to-multipoint) nếu xem xét kết nối giữa máy tính đầu cuối
của các Trung tâm điều độ với các RTU tại các Trạm T500, T220,T110, T66 v.v.
Tương ứng với các dạng liên kết, có các dạng cấu trúc mạng cơ bản sau:
1.2.1. Cấu trúc bus
Cấu trúc kiểu đường thẳng là kiểu cấu trúc đơn giản nhất, cấu trúc này cịn có
tên là cấu trúc kiểu đường dẫn (bus structure), mặc dù không phải đường dẫn nào
cũng là cấu trúc đường thẳng. Tất cả các thành viên trong mạng đều phải có một
điểm ghép nối vào mạng. Nó có thể nối thông qua một đường dẫn ngắn để đến điểm
dẫn chính. Trong mạng này, ngun tắc truyền thơng được thực hiện như sau: ở tại
một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được truyền dữ liệu, cịn
các thành viên khác chỉ có quyền nhận, tín hiệu được truyền cả hai chiều của bus.
Đối với các bus một chiều thì tín hiệu chỉ đi về một phía. Lúc đó các Terminator
(thiết bị đầu cuối) phải được thiết kế sao cho các tín hiệu phải được dội lại trên bus
để có thể đến được các thành viên trong mạng. Điều này là cần thiết để tránh các
xung đột trên đường dẫn.
Trong dạng bus tất cả các thành viên phân chia chung một đường truyền chính
(bus). Đường truyền chính này được giới hạn bởi một loại đầu nối đặc biệt gọi là
Đào Quang Minh

9


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
Terminator. Mỗi thành viên được nối vào bus qua một đầu nối chữ T (T- connector)
hoặc một bộ thu phát (Transceiver). Trong tôpô mạng dạng bus, dữ liệu được truyền

dựa vào liên kết điểm - nhiều điểm (point-to- multipoin).
Trong các tơpơ dạng bus, cần có một cơ chế “trọng tài” để giải quyết “xung
đột” khi nhiều nút muốn truyền tin cùng một lúc. Việc cấp phát đường truyền có thể
là “tĩnh” hoặc “động”. Cấp phát tĩnh thường dùng cơ chế quay vòng để phân chia
đường truyền theo các khoảng thời gian định trước, còn cấp phát động là cấp phát
theo yêu cầu để hạn chế thời gian “chết” vơ ích trên đường truyền.

Hình 1.3: Cấu trúc bus
Các mạng máy tính LAN trong các Trung tâm Điều độ Điện lực Quốc gia,
Miền và tỉnh, thành phố đa số đều được xây dựng theo cấu trúc bus. Để tăng cường
độ tin cậy, đa số các mạng LAN này đều có cấu hình kép.
1.2.2. Cấu trúc mạch vịng (Ring)
Cấu trúc vịng cũng có những điểm chung như cấu trúc đường thẳng. Cấu trúc
này cũng sử dụng phương pháp truyền thông kiểu bus. Cấu trúc vòng được thiết kế
sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách
tuần tự trong một mạch vịng khép kín. Ưu điểm cơ bản của mạng cấu trúc theo kiểu
này là mỗi một nút đồng thời có thể là một bộ khuyếch đại, do vậy khi thiết kế
mạng theo kiểu cấu trúc vịng có thể được thực hiện với khoảng cách rất lớn.

Đào Quang Minh

10


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Hình 1.4: Cấu trúc dạng mạch vịng
Nếu có một thành viên trong mạng bị hỏng thì việc xác định điểm sự cố rất
đơn giản, với cấu trúc mạch vịng có điều khiển trung tâm thì việc trao đổi thơng tin
có độ tin cậy cao do khi đứt một đầu truyền dẫn thì có thể truyền theo mạch cịn lại.

1.2.3. Cấu trúc hình cây (tree)

Hình 1.5: Cấu trúc mạng hình cây
Cấu trúc hình cây cũng được gắn trong các hệ tự động. Cấu trúc này là sự liên
kết của các cấu trúc đường thẳng có độ dài khác nhau với nhau. Do vậy mạng cần
thêm các phần tử để nối các cấu trúc đường thẳng lại với nhau. Nó có thể chỉ đơn
thuần là bộ lặp lại (Repeater) nếu như các đường dẫn cùng một loại. Còn các đường

Đào Quang Minh

11


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
dẫn khơng cùng loại thì có thể phải dùng đến bộ chuyển đổi (Router, Bridge,
Gateway).
1.2.4. Cấu trúc hình sao (star)
Trạm 1

Trạm 2

Trạm 3

∗
∗

Bộ ghép nối hình sao
Hình 1.6: Cấu trúc mạng dạng sao

Cấu trúc hình sao là cấu trúc trong đó có một nút quan trọng hơn tất cả các nút

khác, nút này sẽ điều khiển sự truyền thơng của tồn mạng, được gọi là nút hay trạm
chủ (Master).
Nếu như nút này bị hỏng thì sự truyền thơng trong mạng cũng không thể tiếp
tục được. Tất cả các trạm được nối vào thiết bị trung tâm, thiết bị này có nhiệm vụ
nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển đến trạm đích của tín hiệu. Vai trị thực chất
của thiết bị trung tâm này là việc “bắt tay” giữa các trạm cần trao đổi thông tin với
nhau, thiết lập các liên kết điểm - điểm giữa chúng. Ưu điểm của cấu trúc này là lắp
đặt đơn giản, dễ dàng thay đổi cấu hình (thêm, bớt trạm), dễ dàng kiểm soát và khắc
phục sự cố. Nhược điểm chủ yếu là độ dài đường truyền nối một trạm với thiết bị
trung tâm bị hạn chế [6].
1.3. Các tiêu chuẩn thông tin trong hệ thống điện
Giao thức
Giao thức trong thông tin liên lạc và truyền thông, được hiểu là “các quy tắc
truyền dữ liệu” cho phép các máy tính hoặc các máy tính và các thiết bị đầu cuối
(Remote Terminal Unit) trao đổi dữ liệu với nhau. Không giống như “đối thoại”
giữa con người, truyền dữ liệu không thể linh hoạt để cho phép những mệnh lệnh
Đào Quang Minh

12


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
khó hiểu. Bởi vậy, để thực hiện được việc trao đổi dữ liệu một cách chính xác, qui
tắc liên lạc chính xác cũng phải được thiết lập. Một qui chuẩn giao thức bao gồm
các thành phần sau:
• Cú pháp (syntax): Quy định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi trao
đổi, trong đó có phần thơng tin hữu ích (dữ liệu) và các thơng tin bổ trợ như địa chỉ,
thông tin điều khiển, thông tin kiểm tra lỗi…
• Ngữ nghĩa (semantic): Quy định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một bức
điện, như phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục điều

khiển dịng thơng tin, xử lý lỗi…
• Định thời (timing): Qui định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền
(đồng bộ hay không đồng bộ), tốc độ truyền thông…
1.3.1. Kiến trúc giao thức OSI
a. Cơ sở về sự xuất hiện OSI
Vào năm 1984, Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International
Organization for Standardization) và Uỷ ban tư vấn về điện báo và điện thoại quốc
tế CCITT (International Telegraph and Telephone Consultative Committee) đã hợp
tác khuyến nghị mơ hình tham chiếu OSI (Open System Interconnection).
b. Mơ hình tham chiếu OSI
Đây không phải là một chuẩn thống nhất về giao thức, cũng không phải là một
chuẩn chi tiết về dịch vụ truyền thông. Chuẩn này không đưa ra bất kì một quy định
nào về cấu trúc một bức điện, cũng như không định nghĩa bất cứ một chuẩn dịch vụ
cụ thể nào. OSI chỉ là một mơ hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc
sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thơng có sẵn, trong đó có cả việc so sánh,
đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng như cơ sở cho việc phát triển
các hệ thống mới.

Đào Quang Minh

13


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
c. Xây dựng các lớp
Theo mơ hình tham chiếu OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống
truyền thông được chia thành 7 lớp. Với việc định nghĩa 7 lớp như vậy, OSI đưa ra
một mơ hình trừu tượng cho các quá trình giao tiếp phân cấp. Nếu hai hệ thống thực
hiện cùng các dịch vụ và trên cơ sở một giao thức giống nhau ở một lớp, thì có
nghĩa là hai hệ thống có khả năng tương tác ở lớp đó [8].

Hình 1.7: Mơ hình kiến trúc OSI
Đào Quang Minh

14


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
Lớp ứng dụng (Application layer)
Lớp ứng dụng là lớp cao nhất trong mơ hình tham chiếu OSI. Nó cung cấp các
dịch vụ ứng dụng cho các phương tiện truy nhập đến môi trường OSI để xử lý các
ứng dụng trong hệ thống mở.
Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation layer)
Khi có nhiều các định dạng khác nhau để thể hiện thông tin (mã ký tự, cách
sắp xếp ...) được trao đổi giữa các lớp ứng dụng, lớp biểu diễn dữ liệu sẽ cung cấp
các dịch vụ nhằm chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau về cú pháp
thành một dạng chuẩn.
Lớp phiên (Session layer)
Lớp phiên có chức năng kiểm sốt mối liên kết truyền thơng giữa các chương
trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lý, kết thúc và thiết lập điểm đồng bộ
trong dòng dữ liệu.
Lớp vận chuyển (Transport layer)
Lớp vận chuyển có chức năng thiết lập kênh logic giữa các hệ thống đầu cuối,
như giữa thiết bị đầu cuối và máy chủ, để lớp phiên ngay trên nó đảm bảo việc
truyền dữ liệu qua các thủ tục dị tìm lỗi, phục hồi, ... và nâng cao độ tin cậy. Lớp
này cũng bù những sự khác nhau trong chất lượng kết nối mạng để cung cấp kết nối
ở lớp vận chuyển có chất lượng cao cho các lớp trên.
Lớp mạng (Network layer)
Lớp mạng sử dụng các chức năng truyền dữ liệu giữa các nút kế tiếp do lớp
liên kết dữ liệu cung cấp để thực hiện trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống đầu cuối.

Lớp mạng có bốn vai trị như sau:
• Ấn định hướng để chuyển dữ liệu tới.
• Xác định kênh để gửi dữ liệu.
• Truyền và chuyển tiếp dữ liệu.
• Loại trừ sự khác biệt trong chất lượng dịch vụ mạng con (bởi một hệ thống
Đào Quang Minh

15


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
mạng diện rộng thường là sự liên kết của nhiều mạng con, tồn tại độc lập).
Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer)
Lớp này sử dụng các chức năng truyền và nhận các bit dữ liệu được cung cấp
bởi lớp vật lý để thực hiện việc truyền và nhận dữ liệu với độ tin cậy cao. Lớp liên
kết dữ liệu bao gồm các chức năng sau:
• Truyền dữ liệu.
• Xác nhận việc phân phối dữ liệu.
• Xử lý khơi phục một lỗi được phát hiện ra.
• Điều khiển luồng lưu lượng để điều chỉnh số lượng khung được truyền.
Lớp vật lý (Physical layer)
Đây là lớp dưới cùng trong mơ hình phân lớp chức năng. Lớp này đảm nhiệm
tồn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý. Các quy định sau đây
mô tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền thơng:
• Các chi tiết về cấu trúc mạng (bus, cây, hình sao...)
• Kỹ thuật truyền dẫn (RS-485, truyền cáp quang...)
• Phương pháp mã hóa bit.
• Chế độ truyền tải (dải rộng/dải cơ sở/dải mang, đồng bộ/khơng đồng bộ).
• Các tốc độ truyền cho phép.
• Giao diện cơ học (phích cắm, giắc cắm...)

1.3.2. Các chuẩn thông tin liên lạc
Cho đến ngày nay, nhiều Công ty sản xuất các hệ thống tự động hóa đều có
các giao thức riêng, cụ thể:
Hãng ABB: LON, SPA Bus, IEC 60870 - 5 -103, 104
Hãng Siemens: Frofile Bus FMS, DNP 3.0, IEC 60870 - 5 -103, 104.
Hãng Areva: K - Bus, DNP 3.0, IEC 60870 - 5 -103.
Hãng SEL: UCA 2.0, DNP 3.0.

Đào Quang Minh

16


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
Theo xu hướng, ngày nay các nước Bắc Mỹ (Mỹ và Canada) sử dụng giao
thức DNP 3.0 và UCA 2.0 (Utility Communication Architecture), đa số các nước
còn lại sử dụng các giao thức chuẩn quốc tế IEC: như IEC 60870 - 5 -103, 104 và
hiện nay là là giao thức cho hệ thống mở IEC 61850.
Theo quyết định số 1208/ QĐ - EVN ngày 28 tháng 7 năm 2008 của Tập
đoàn Điện lực Việt Nam về việc ban hành “Quy trình quản lý vận hành thiết bị
SCADA của trạm biến áp và nhà máy điện”, các thiết bị điện trong trạm biến biến
áp tại Việt Nam sử dụng giao thức chuẩn quốc tế IEC và xu hướng hiện nay là lựa
chọn giao thức mở IEC 61850.
• Đang sử dụng trong các hệ thống điện và SCADA/EMS/DMS của EVN:
- IEC 60870-5-101: là giao thức truyền thông trong điều khiển từ xa.
- IEC 60870-5-103: là giao thức truyền thông cho các thiết bị bảo vệ
- IEC 60870-5-104: là giao thức truy cập Ethernet(TCP/IP) cho IEC 608705-101.
- IEC 60870-6: là giao thức thông tin cho việc điều khiển từ xa của thiết bị
và hệ thống
• Đang sử dụng trong các hệ thống SCADA/EMS/DMS của EVN để liên lạc giữa

các Trung tâm điều độ:
- ICCP / TASE.2 (IEC 60870-6)
- DLMS – COSEM / IEC 62056 : giao thức thông tin phục vụ cho các thiết
bị đo lường.
- MODBUS RTU / MODBUS TCP: giao thức thông tin liên lạc với RTU
hoặc giao thức truyền thông truyền tải.
- ABB SPA Bus là một giao thức chủ/tớ được dùng để giao tiếp với RTU
• Đang sử dụng trong các hệ thống RTU và tự động hóa Trạm của Trung tâm điều
độ A1:
- ABB RP570/RP571 là một giao thức thông tin hổ trợ cho chế độ chủ tớ.
Đào Quang Minh

17


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc
- Areva Courier là một giao thức truyền thông đơn chiều.
- Altus Modbus Protocol là một chuẩn giao thức truyền thơng thơng qua
cổng RS232.

Hình 1.8: Các tiêu chuẩn thơng tin liên lạc được sử dụng trong trạm
Hình 1.8 thể hiện các tiêu chuẩn có thể áp dụng cho thông tin liên lạc giữa các
IEDs trong một trạm. Ngăn bên trái thể hiện cấu trúc truyền thống, trong đó phần
xử lý (thiết bị đóng cắt, các máy biến áp đo lường) được nối qua các dây dẫn song
song. Ngăn bên phải nối các máy biến áp đo lường thông qua một liên kết điểm điểm (point-to-point) và thông tin liên lạc với thiết bị đóng cắt qua một bus trạm.
Ngăn giữa sử dụng một bus xử lý, bus này có thể được nối với bus trạm qua một bộ
lọc nhằm tránh việc các giá trị lấy mẫu đo lường làm tắc nghẽn bus trạm.

Đào Quang Minh

18


Hệ thống miniSCADA áp dụng cho các trạm biến áp 110kV miền Bắc

Hình 1.9: Các chuẩn thơng tin liên lạc với bên ngồi trạm
Hình vẽ 1.10 thể hiện tiêu chuẩn có thể phổ biến kiến trúc thơng tin liên lạc
IEC 61850 được tạo ra để trở thành một tiêu chuẩn mang tính quốc tế trong thơng
tin liên lạc và tích hợp với khả năng xây dựng các hệ thống từ nhiều IEDs của các
hãng khác nhau, phối hợp hoạt động để thực hiện các chức năng bảo vệ, giám sát, tự
động hoá, đo lường và điều khiển.

Đào Quang Minh

19