Tự động hoá trạm biến áp trên nền tảng giao thức truyền thông IEC61850
Thứ hai, 16 Tháng 2 2015 07:47    In Email
Hiện nay việc ứng dụng công nghệ điều khiển tích hợp trạm biến áp (TBA) truyền tải và phân phối là xu hướng chung của thế giới nhằm giảm chi phí đầu tư, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) đã ban hành quy định kỹ thuật của hệ thống điều khiển tích hợp TBA, tuy nhiên vấn đề khó khăn nhất là khả năng tương thích về tiêu chuẩn kết nối giữa các thiết bị của các hãng khác nhau. Để nâng cao tính cạnh tranh, thuận lợi cho quá trình mở rộng phát triển hệ thống, tiêu chuẩn truyền thông IEC 61850 được EVN lựa chọn cho các ứng dụng tự động hoá TBA. Bài viết này giời thiệu một cách khái quát khả năng ứng dụng các chức năng tự động và bảo vệ của TBA trên nên tảng giao thức truyền thông IEC61850.

Tự động hoá TBA (Substation Automation - SA) là hệ thống cho phép các chức năng về điện của trạm được giám sát, điều khiển và phối hợp bởi các thiết bị phân tán lắp đặt trong trạm. Các chức năng được thực hiện bởi hệ thống SA dựa trên cơ sở các bộ xử lý tốc độ cao được biết đến như là RTU (Remote Terminal Units) hoặc các thiết bị điện tử thông minh (Intelligent Electronic Devices – IEDs). Xây dựng chiến lược bảo vệ và tự động của TBA sẽ quyết định đến mô hình thu thập, xử lý và trao đổi dữ liệu của các IEDs. Do đó, vấn đề truyền thông giữa các IEDs và giữa các IEDs với trung tâm điều khiển sẽ rất quan trọng khi thực hiện các chức năng tự động hoá của trạm. Rất nhiều các giao thức truyền thông được sử dụng trong việc giám sát điều khiển xa TBA, các giao thức phổ biến như Modbus, DNP3 và IEC 6870. Các giao thức trên không có sự tương đồng (Interoperability) hoàn toàn khi được cung cấp bởi các hãng khác nhau, đồng thời hạn chế về tốc độ xử lý nên việc xây dựng các ứng dụng tự động hoá trạm trên nền tảng các giao thức truyền thống khá khó khăn. Trên cơ sở kiến trúc truyền thông đa dụng UCA 2.0, từ năm 2003 tổ chức kỹ thuật điện quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) ban hành phiên bản đầu tiên về tiêu chuẩn truyền thông IEC 61850.

 tdhoatba050110
Hình 1: 
Các khả năng của tiêu chuẩn IEC61850 trong ứng dụng tự động hoá TBA


IEC 61850 là tiêu chuẩn truyền thông quốc tế mới cho các ứng dụng tự động hoá trạm. Tiêu chuẩn cho phép tích hợp tất cả các chức năng bảo vệ, điều khiển, đo lường và giám sát truyền thống của TBA, đồng thời nó có khả năng cung cấp các ứng dụng bảo vệ và điều khiển phân tán, chức năng liên động và giám sát phức tạp. Với ưu điểm của chuẩn truyền thông TC/IP Enternet, giao thức IEC 61850 có hiệu năng làm việc cao, xử lý thông tin đạt tốc độ 100Mbps và đơn giản trong việc thực hiện kết nối trên mạng LAN. Tiêu chuẩn IEC 61850 bao gồm 14 phần chia thành 10 chủ đề chính.
Để đảm bảo cho tất cả các ứng dụng về tự động hoá trạm hiện tại và tương lai đều có khả năng được hổ trợ bởi tiêu chuẩn, IEC61850 xây dựng mô hình dữ liệu trên cơ sở các mô hình đối tượng và thiết bị trong hệ thống, qua đó hệ thống được mô tả trên cơ sở tập hợp các quy tắc trao đổi giữ liệu giữa các đối tượng trên một cơ chế truyền thông linh hoạt. Trên nền tảng giao thức truyền thông IEC 61850, các hệ thống SA sẽ tăng tính linh hoạt, tăng khả năng tương đồng của các thiết bị, đơn giản hoá việc thiết kế phần cứng, giảm chi phí lắp đặt, hạn chế được lỗi và sự can thiệp bằng tay từ người vận hành. 

Đối tượng chính của tiêu chuẩn IEC61850 là thiết kế hệ thống thông tin có khả năng cung cấp sự tương đồng giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau, để phối hợp thực hiện cùng một chức năng. Trên cơ sở đó, mô hình dữ liệu đối tượng của tiêu chuẩn sẽ chia các chức năng của trạm thành những chức năng con, những chức năng con này được định nghĩa là các node logic (Logical Nodes –LNs), LNs là thành phần cơ bản, các thông tin chủ yếu được trao đổi trên các LNs. Ví dụ chức năng bảo vệ quá dòng (PTOC) sẽ lấy thông tin từ biến dòng (TCTR) và trạng thái máy cắt (XCBR). Việc xác định các LNs trên một thiết bị vật lý phụ thuộc vào khả năng của thiết bị do nhà sản xuất cung cấp. Kèm theo định nghĩa LNs, tiêu chuẩn còn định nghĩa thiết bị logic (Logical Devices - LDs) và thiết bị vật lý (Physical Devices – PDs). Mổi thiết bị logic LDs được tập hợp từ nhiều node logic (LNs) và luôn hoạt động trên một thiết bị vật lý cụ thể. Thiết bị vật lý PDs có thể bao gồm một số thiết bị logic khác nhau, kèm theo đó thiết bị vật lý sẽ được xác định bằng một địa chỉ mạng (IP address) cụ thể.

 tdhoatba050110b
Hình 2
: Ví dụ về mô hình dữ liệu của một rơle bảo vệ đường dây: PD, LDs, LNs


Trên Hình 2 ta có thể thấy một rơle bảo vệ đường dây được định nghĩa là một PD, các chức năng chính của rơle có thể thực hiện được như sau: bảo vệ (LD#1 Protection), điều khiển máy cắt (LD#2 Control) và đo lường (LD#3 Meas). Với chức năng bảo vệ  bao gồm bảo vệ quá dòng (LN1: PTOC) và bảo vệ khoảng cách (LN2: PDIS), tương tự các chức năng điều khiển và đo lường của rơle cũng được chia thành nhiều chức năng con (LNs) riêng biệt.

Trong thực tế các ứng dụng tự động hoá trạm phát triển chậm hơn so với khả năng phát triển, nâng cấp của công nghệ truyền thông. Do đó để đảm bảo khả năng hoạt động của các ứng dụng khi hệ thống thông tin được nâng cấp, tiêu chuẩn định nghĩa các giao tiếp dịch vụ truyền thông cơ bản (Abstract Communications Services Interface - ACSI) như đọc ghi dữ liệu (GetDataValue, SetDataValue).., các định nghĩa này được quy định trong IEC61850-7-2. ACSI tách biệt với các ứng dụng SA về mặt truyền thông, nghĩa là dịch vụ ACSI sẽ tham chiếu trên giao diện truyền thông TCP/IP để thực hiện các ứng dụng SA, các tham chiếu này vẫn phù hợp khi giao diện truyền thông TCP/IP được nâng cấp.

Về cơ bản các thiết bị trong TBA được chia thành 2 loại: thiết bị sơ cấp và thiết bị thứ cấp. Các thiết bị sơ cấp bao gồm: máy biến áp, máy cắt, dao cách ly. Các thiết bị thứ cấp bao gồm: thiết bị bảo vệ, điều khiển, đo lường và các thiết bị thông tin. Theo tiêu chuẩn IEC 61850, các thiết bị thứ cấp của TBA được sắp xếp theo 3 mức: mức trạm (Station Level),  mức ngăn lộ (Bay Level) và mức quá trình (Process Level). Sơ đồ sắp xếp theo 3 mức của các thiết bị thứ cấp trạm được thể hiện ở Hình 3. Giao diện người  máy (Human Machine Interface - HMI) và thiết bị truyền thông (Communication Unit - ComU) thuộc về mức trạm. Các thiết bị ở mức trạm được kết nối với các thiết bị ở mức ngăn lộ thông qua bus trạm (Station Bus). Hệ thống điều khiển trạm liên lạc với các thiết bị bảo vệ điều khiển bằng hệ thống Staion Bus, được định nghĩa trong IEC61850-8-1. HMI là nhóm các phần mềm SCADA với giao diện đồ hoạ trực quan cho phép người vận hành có thể thao tác, giám sát các thiết bị ở mức ngăn lộ (Bay Level). Các hệ thống SCADA sử dụng công cụ OPC Server để để trao đổi dữ liệu giữa HMI với các thiết bị IEDs. OPC (OLE for Process Control – Đối tượng nhúng cho điều khiển quá trình), là một công cụ cho phép biên dịch dữ liệu của các đối tượng điều khiển (IEDs, RTUs) thông qua các hàm của hệ điều hành. Thiết bị ComU có thể là một thiết bị định tuyến (Router) để kết nối với mạng diện rộng (WAN) của trung tâm điều khiển, hoặc là một thiết Gateway/Converter chuyển đối giao thức thường gặp như IEC61850/IEC6870-5-101.

tdhoatba050110c 
Hình 3
: Cấu hình truyền thông cơ bản hệ thống tự động hoá trạm với giao thức IEC61850


Các IEDs ở mức ngăn lộ và các thiết bị đo lường, thiết bị chấp hành ở mức quá trình truyền thông với nhau qua hệ thống bus quá trình (Process Bus). Cơ chế trao đổi thông tin trên bus quá trình được thực hiện dưới dạng bản tin sự kiện hướng đối tượng trạm thống nhất (Generic Object-Oriented Substation Event - GOOSE Measage), được định nghĩa trong IEC 61850-9-1 & 9-2. Trên hệ thống bus quá trình các bản tin GOOSE được trao đổi giữa các rơle hoặc giữa các rơle với thiết bị trộn tín hiệu (Merging Unit). Thiết bị trộn tín hiệu là một IED, nó cho phép chuyển đổi các tín hiệu đo lường và trạng thái của thiết bị giám sát gửi tới các rơle. Hiện nay, các thiết bị đo lường hoặc máy cắt thế hệ mới có khả năng kết nối trực tiếp với hệ thống bus quá trình qua giao thức. Với tốc độ xử lý cao sẽ cho phép các IEDs có thể thực hiện chức năng liên động, ghi nhiễu chéo, bảo vệ chống hư hỏng máy cắt, kiểm tra hướng công suất, so sánh dòng điện vi sai và nhiều ứng dụng phức tạp khác. Cơ chế xử lý thông tin dạng GOOSE giữa các IEDs đã làm thay đổi cơ bản cách thực thiết kế nhị thứ của trạm, giảm tối thiểu dây tín hiệu, nâng cao khả năng thực hiện các ứng dụng bảo vệ và điều khiển phân tán.

Xây dựng cấu hình phần mền cho các ứng dụng tự động hoá trạm được thực hiện bằng ngôn ngữ cấu hình trạm (Substation Configuration Language - SCL). Ngôn ngữ SCL dựa trên cầu trúc ngôn ngữ đánh dấu có thể mở rộng (eXtensible Markup Language – XML), được định nghĩa trong IEC 61850-6. Việc sử dụng ngôn ngữ SCL với mô hình dữ liệu đối tượng của IEC 61850 cho phép sử dụng nhiều công cụ khác nhau của nhiều nhà sản xuất để biên dịch và hiểu các thông tin được chứa đựng trong bất kỳ IEDs. Điều này cho phép trong quá trình trao đổi dữ liệu giữa các IEDs sẽ tránh được tình trạng không hiểu nhau, thuận lợi trong việc tích hợp hệ thống từ nhiều nhà sản xuất. Hiện này có nhiều công cụ để soạn thảo và biên dịch mã lệnh SCL và Visual SCL. File cấu hình SCL sẽ được dùng chung cho các ứng dụng động hoá trạm giống nhau từ các nhà cung cấp khác nhau. SCL files có 04 loại: SCD files (System Configuration Description) mô tả cấu hình hệ thống; SSD files (System Specification Description) mô tả đặc điểm của hệ thống; ICD files (IED Capability Description) mô tả khả năng của các IEDs; CID (Configured IED Description) mô tả cấu hình các IED.  Việc xây dựng mô hình dữ liệu bằng ngôn ngữ SCL là một khâu quan trọng trong quá trình thiết kế tự động hoá trạm trên nên tảng của giao thức IEC 61850. 

Kết luận:

Trên cơ sở công nghệ truyền thông hiện đại và cách tiếp cận mới về mô hình đối tượng giám sát điều khiển cũng như cách thức trao đổi dữ liệu của các đối tượng đó, tiêu chuẩn IEC 61850 tạo ra khả năng tích hợp cao cho các hệ thống tự động hoá TBA, vấn đề không tương đồng giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau dần được giải quyết. Với việc giảm tối đa các dây dẫn tín hiệu, tăng khả năng tương tác giữa các thiết bị, hệ thống sẽ trở nên linh hoạt và tin cậy, đồng thời giảm được giá thành thiết lập cũng như chi phí vận hành, bảo dưỡng. Tuy nhiên để có thể ứng dụng hiệu quả tiêu chuẩn IEC 61850 trong hệ thống điều khiển tích hợp TBA, cách thức thiết kế cần có những thay đổi quan trọng đó là xây dựng cấu hình phần mềm trên cơ sở đặc điểm thiết bị và phương thức đo lường, điều khiển, bảo vệ của trạm.