Tài liệu Nghiên cứu thiết kế hệ thống kết nối giữa rtu và ied theo tiêu chuẩn iec61850

1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Giao thức là một tập hợp các quy tắc cơ bản phải tuân theo để giao tiếp có trật tự giữa hai bên hoặc nhiều bên giao tiếp. Việc truyền thông tin giữa những hệ thống xử lý dữ liệu từ các nhà sản xuất khác nhau đặc biệt thường bị khó khăn do thực tế có sự khác nhau về kỹ thuật phát triển của cách thức truyền thông tin dữ liệu và việc xử lý dữ liệu, thường dẫn đến kết quả là các giao diện trở nên phức tạp và đắt tiền. Ngày nay, với mong muốn về việc phải kết hợp khả năng thông tin giữa tất cả các thiết bị điện tử thông minh (IEDs) trong trạm biến áp đã được công nhận rõ ràng, đó là khả năng cung cấp không chỉ thu thập dữ liệu và khả năng cài đặt, mà còn điều khiển từ xa. Hơn nữa, nhiều IEDs có thể chia sẻ dữ liệu hoặc các lệnh điều khiển ở tốc độ cao để thực hiện các chức năng điều khiển và bảo vệ được chính xác hơn. Việc giới thiệu các giao thức tốc độ cao hơn trong các thiết bị điện tử thông minh chỉ cho phép liên lạc thông tin giữa các thiết bị giống nhau hoặc nói cách khác thông tin liên lạc giữa các thiết bị từ cùng một nhà sản xuất. Để giao tiếp một loạt các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau, cho phép các tiện ích với một loạt các khả năng: bảo vệ, giám sát và tự động hóa cần phải sử dụng có một bộ biến đổi hoặc cổng giao thức. Hơn nữa, các giao thức của các thiết bị điện tử thông minh cũng hạn chế khả năng về tốc độ, chức năng và các dịch vụ về kỹ thuật cũng khó khăn hơn; chi phí vận hành và bảo dưỡng cũng tăng lên. Trên thế giới, việc bãi bỏ quy định tiện ích điện đang mở rộng và tạo ra nhu cầu tích hợp, củng cố và phổ biến thông tin thời gian thực một cách nhanh chóng và chính xác trong các trạm biến áp. Một giao thức không độc quyền, tiêu chuẩn và tốc độ cao cung cấp các dịch vụ hữu hiệu là sự cần thiết để cho phép 1 hệ thống thông tin của trạm biến áp được tích hợp mạnh mẽ mà không phải dùng các bộ biến đổi giao thức. Việc giới thiệu Tiêu chuẩn IEC61850 và Cấu trúc truyền thông tiện ích (UCA - Utility Communications Architecture) đã tạo ra điều có thể để tích hợp các thiết bị điện tử thông minh của trạm thông qua việc tiêu chuẩn hóa. Sử dụng thông tin truyền thông tốc độ cao được tiêu chuẩn hóa giữa các thiết bị điện tử thông minh. 2 IEC61850 dựa trên yêu cầu và cơ hội về sự phát triển giao thức truyền thông tiêu chuẩn để cho phép khả năng tương tác của các các thiết bị điện tử thông minh từ các nhà sản xuất khác nhau. Các hệ thống tiện ích cũng yêu cầu khả năng liên kết thay đổi của các thiết bị điện tử thông minh, đó là khả năng thay thế một thiết bị được cung cấp bởi một nhà sản xuất này với một thiết bị được cung cấp bởi nhà sản xuất khác, mà không làm thay đổi các yếu tố khác trong hệ thống. IEC61850 làm cho việc sử dụng các tiêu chuẩn hiện có và các nguyên tắc thông tin liên lạc được chấp nhận một cách phổ biến, cho phép tự do trao đổi thông tin giữa các thiết bị điện tử thông minh. Xem xét các yêu cầu hoạt động từ bất kỳ tiêu chuẩn truyền thông nào phải xem xét các chức năng hoạt động của trạm biến áp. Tuy nhiên, giao thức truyền thông theo tiêu chuẩn IEC 61850 tập trung vào việc: không phải tiêu chuẩn hóa các chức năng tham gia vào hoạt động của trạm biến áp, cũng không phải tiêu chuẩn hóa sự bố trí phân phối trong các hệ thống tự động hóa của trạm biến áp. IEC61850 xác định tất cả các chức năng được biết đến trong một hệ thống tự động hóa trạm biến áp và chia chúng thành các chức năng phụ trợ hay còn gọi là các nút logic. Một nút logic là một chức năng phụ nằm trong một nút vật lý, trao đổi dữ liệu với các thực thể logic riêng biệt khác. Trong IEC61850, tất cả các nút logic đã được nhóm lại theo khu vực ứng dụng chung nhất của chúng, một văn bản mô tả ngắn về chức năng, một số chức năng của thiết bị nếu có thể áp dụng và mối liên hệ giữa các nút logic và các chức năng. IEC61850 tách riêng các ứng dụng thiết kế độc lập để chúng có thể giao tiếp bằng cách sử dụng các giao thức truyền thông khác nhau. Điều này do thực tế là các nhà cung cấp và các hệ thống tiện ích đã duy trì các chức năng ứng dụng được tối ưu hóa để đáp ứng từng yêu cầu cụ thể. Do đó, IEC61850 cung cấp một giao diện trung lập giữa các đối tượng ứng dụng và dịch vụ ứng dụng liên quan, cho phép trao đổi tương thích của dữ liệu giữa các thành phần của một hệ thống tự động hóa của trạm biến áp. Một trong những tính năng quan trọng nhất của IEC61850 là không những chỉ giao tiếp thông tin mà còn thể hiện đặc tính chất lượng của các công cụ kỹ thuật, biện pháp quản lý chất lượng, và quản lý cấu hình. Điều này là cần thiết vì khi các hệ thống tiện ích đang có kế hoạch xây dựng một hệ thống tự động hóa trạm biến áp với ý định 3 kết hợp các thiết bị điện tử thông minh từ các nhà cung cấp khác nhau, họ mong đợi không chỉ khả năng tương tác của các chức năng và các thiết bị mà còn là một hệ thống xử lý đồng nhất. Đảm bảo chất lượng cho các chu kỳ tồn tại của hệ thống là một trong những khía cạnh quan trọng bao trùm của IEC61850, trong đó xác định trách nhiệm của các nhà sản xuất rơle và các IEDs. Các chỉ dẫn về điều kiện môi trường và các dịch vụ phụ trợ với các khuyến nghị về sự liên quan của các yêu cầu cụ thể từ các tiêu chuẩn khác nhau và thông số kỹ thuật cũng được xác định. IEC61850 hứa hẹn sẽ là một bước tiến lớn trong việc phát triển và được sự chấp nhận của các hệ thống tự động hóa trạm biến áp trên toàn thế giới. Tiêu chuẩn này cuối cùng sẽ mang lại lợi ích thực sự để tự động hóa và tích hợp trạm. Từ những lý do trên cho thấy đây là một đề tài mới cần được khai thác và nghiện cứu triệt để. Nhằm phục vụ tốt hơn cho các công trình nhà máy điện trạm biến áp ở Việt Nam nói riêng và trên toàn thế giới nói chung. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. 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. Với sự lựa chọn trên của tập đoàn EVN đã mở ra cho các nhà cung cấp thiết bị cũng như các nhà nghiên cứu trên thế giới một mảng nghiên cứu mới về công nghệ điều khiển tích hợp trạm biến áp theo tiêu chuẩn truyền thông IEC61850. Tiêu chuẩn IEC61850 chỉ mới được ban hành trong vài năm trở lại đây, nên nó vẫn đang là một đề tài nóng hổi và cấp thiết để các nhà nghiên cứu tiến hành nghiên cứu trong thời gian tới. 4 3. Mục tiêu của đề tài Việc tìm hiểu, nghiên cứu tiêu chuẩn IEC61850 nhằm áp dụng trong hệ thống tích hợp điều khiển và bảo vệ trạm biến áp. Tiêu chuẩn này bảo đảm sự tương tác cần thiết trong các trạm điện. Điều mới thật sự của đề tài nghiên cứu này là tất cả các thiết bị điện tử thông minh (IED) được kết nối với nhau sẽ “nói” cùng một ngôn ngữ, bất kể nguồn gốc chế tạo của các thiết bị IED và trao đổi thông tin với nhau mà không có bất cứ vấn đề gì. 4. Nội dung nghiên cứu của đề tài Tìm hiểu tổng quan về tiêu chuẩn IEC61850. ™ Trình bày giới thiệu tổng quan về tiêu chuẩn: tổng quan về quá trình hình thành và phát triển của tiêu chuẩn. Các thành viên của tiêu chuẩn. Bố cục chính của tiêu chuẩn. ™ Thách thức và mục tiêu của tiêu chuẩn: So sánh tiêu chuẩn IEC61850 với các tiêu chuẩn khác. Mục tiêu cần hướng đến của tiêu chuẩn IEC61850. ™ Các chuẩn hóa của các nút logic: giới thiệu các chức năng điều khiển bảo vệ, đo lường của các thiết bị đã được tiêu chuẩn hóa theo IEC61850. ™ Ngôn ngữ cấu hình của trạm: Trình bày ngôn ngữ chung được sử dụng trong việc cấu hình hệ thống trạm và các thiết bị IED theo IEC61850. ™ Các nội dung của tiêu chuẩn liên quan tới đề tài: trình bày các bước cần thực hiện theo tiêu chuẩn IEC61850 để kết nối các thiết bị IED với nhau. ™ Những lợi ích của tiêu chuẩn: Nêu lên những lợi ích nổi bậc của tiêu chuẩn IEC61850 so với các tiêu chuẩn và giao thức kết nối trước đây. Tìm hiểu sơ đồ thực tế điều khiển và bảo vệ của các trạm biến áp hiện nay. ™ Trình bày cách nhận biết các dạng khí cụ, các ký hiệu viết tắt được sử dụng trong trạm. ™ Trình bày các chỉ danh bảo vệ của rơle được ký hiệu theo chuẩn của viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ ANSI 5 ™ Giới thiệu các dạng sơ đồ điều khiển và bảo vệ dùng trong trạm hiện nay. ™ Giới thiệu các loại rơle số đang vận hành trên lưới điện Việt Nam. Mô tả cấu trúc phần cứng của một trạm biến áp tự động hóa theo IEC61850. ™ Giới thiệu chung về kỹ thuật truyền thông ™ Trình bày về mạng máy tính và các dạng sơ đồ cấu trúc sử dụng trong trạm biến áp theo IEC61850. Nghiên cứu hệ thống kết nối giữa RTU và IED theo IEC61850. ™ Giới thiệu sơ lược các thiết bị RTU và IED cần kết nối. ™ Trình bày các phần mềm ứng dụng cần thiết cho công việc kết nối: PCM600, CCT, RTUtil560. Thực hiện thiết kế hệ thống kết nối giữa RTU và IED theo IEC61850. ™ Trình bày từng bước thiết kế hệ thống. ™ Trình bày các phương pháp kiểm tra kết quả đạt được. 5. Phương pháp nghiên cứu 5.1 Phương pháp luận - Thu thập, tổng hợp các tài liệu báo cáo khoa học, các sách báo tạp chí chuyên ngành, các luận án luận văn và các tài liệu hướng dẫn sử dụng (manual handbook) trong và ngoài nước có liên quan đến IEC61850 về việc điều khiển, bảo vệ cho các trạm biến áp. - Phân tích, đánh giá, tổng hợp và xử lý số liệu từ các tài liệu khoa học đã thu thập được. 5.2 Phương pháp nghiên cứu - Tham khảo các bản vẽ thực tế về hệ thống tích hợp điều khiển và bảo vệ cho trạm biến áp. - Khảo sát các trạm biến áp thực tế đã thực hiện kết nối giữa RTU và IED theo IEC61850. - Tiến hành thực hiện kết nối cụ thể trên thiết bị thật. 6 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Dữ liệu từ rơle của trạm biến áp có nhiều công dụng và cung cấp giá trị đáng kể để phục vụ cho việc vận hành, bảo trì, lên kế hoạch. Công nghệ mới cung cấp một số lựa chọn thay thế để thu thập, lưu trữ, và phân phối thông tin này một cách hiệu quả và kinh tế. Các kỹ sư bảo vệ hệ thống điện có khả năng giao tiếp và trích xuất thông tin chính xác từ các thiết bị dùng kỹ thuật vi xử lý, thường được gọi là các IEDs. Trong thập kỷ qua, những IEDs này thực hiện việc đo lường và phân tích thiết bị của hệ thống điện dựa trên các thuật toán của nhà sản xuất cụ thể. Việc tích hợp và tự động hóa trạm biến áp là các công cụ quan trọng nhất sử dụng hiện nay để tích hợp các rơle và các IEDs khác nhau trong môi trường trạm biến áp, hình thành nên một hệ thống điều khiển và đo lường kinh tế để hỗ trợ cho các trạm biến áp về các khía cạnh: giám sát, phân tích, và tự động hóa. Các sơ đồ thông tin truyền thông và các giao thức được thiết kế và phát triển thực thi cơ bản chiến lược này. Trong nhiều năm qua, có những bất lợi cho các kỹ sư bảo vệ đó là các sản phẩm (IEDs và rơle) từ các nhà sản xuất khác nhau có giao diện thông tin khác nhau. Nhìn chung, giao thức hay trình tự và cấu trúc của tin nhắn là duy nhất cho mỗi hệ thống. Tuy nhiên, nhu cầu và mong muốn tích hợp các rơle và IEDs trong một trạm biến áp để xác nhập các thông tin liên lạc của chúng đã khuyến khích nhiều kỹ sư và các tổ chức kỹ thuật điện trên toàn thế giới cùng làm việc với nhau để xác định cấu trúc truyền thông tin của thế hệ các rơle và IEDs kế tiếp để điều khiển và giám sát trạm. Thế hệ của tiêu chuẩn này sẽ tránh xa các hệ thống không tương thích phức tạp, không phù hợp, đảm bảo khả năng tương tác của các nhà cung cấp rơle và IEDs khác nhau . Việc giới thiệu IEC61850 và Cấu trúc truyền thông tiện ích (UCA) là điều có thể để tích hợp các IEDs và rơle của trạm thông qua việc tiêu chuẩn hóa. Việc sử dụng các tiêu chuẩn hiện hành và những nguyên tắc truyền thông thường được chấp nhận cùng với các tiêu chuẩn mới như IEC61850 và UCA cung cấp một cơ sở vững chắc cho khả năng tương tác giữa các IEDs trong trạm biến áp dẫn đến hệ thống bảo vệ và điều khiển linh hoạt và mạnh mẽ hơn. 7 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 IEC61850 tạo ra khả năng tích hợp cao cho các hệ thống tự động hoá trạm biến áp, 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 IEC61850 trong hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp, 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. 7. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. 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 IEC60870. Nhưng các giao thức trên lại không có sự tương đồng (Interoperability) hoàn toàn khi được cung cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau, đồng thời hạn chế về tốc độ xử lý nên việc xây dựng các ứng dụng tự động hoá trạm trên nền tảng các giao thức truyền thống khá khó khăn. Vào năm 1995 ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) đã chấp thuận cần có một tiêu chuẩn tổng quát hơn cho mạng thông tin và những hệ thống trong trạm. Việc thiết lập tiêu chuẩn mới này là do các nhóm TC57 WG10, WG11 và WG12 phát triển thành. Ba nhóm này được thành lập với các chuyên gia từ nhiều nước. Với kinh nghiệm của IEC60870 của những nghi thức và công nghệ truyền thông đa chức năng 2.0 (UCA 2.0), kết quả của một dự án tương tựu tại Mỹ. Mục tiêu của sự nổ lực này là để tạo ra một tiêu chuẩn cho những thiết bị điện tử thông minh (IEDs) từ những nhà sản xuất khác nhau có thể hoạt động cùng với nhau trong một hệ thống tự động hóa trạm. Không phụ thuộc vào kích thước và nhu cầu thao tác của trạm. Tiêu chuẩn bao gồm cả điện áp cao và điện áp trung bình truyền dẫn và phân phối trong trạm. Nó đủ tính linh hoạt trước sự thay đổi của hệ thống trong tương lai. Ví dụ như thay đổi trong công nghệ truyền thông hoặc những chức năng tự động mới. Cơ quan IEC và Electric Power Research Institute (UCA 2.0) cùng nhau đạt được 8 một tiêu chuẩn toàn cầu và đã được chấp nhận chính là IEC61850 “mạng thông tin và hệ thống trong trạm”. IEC61850 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. Ngày nay, tiêu chuẩn IEC61850 đang trở thành một chủ đề nóng và mang tính cấp thiết để các nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới ra sức tìm tòi, nghiên cứu để đáp ứng được tất cả các yêu cầu đặt ra. 7.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Hiện nay, các nhà sản xuất các thiết bị điện tử thông minh (IED) hàng đầu trên thế giới như : ABB, Toshiba, Siemens, AREVA, SEL…đều đang nghiên cứu để tích hợp tiêu chuẩn này vào trong các thiết bị IED của họ. Đồng thời họ cũng đã cho ra đời các hệ thống tích hợp cho hệ thống tự động hóa trạm sử dụng các thiết bị IED của họ theo IEC61850. Tuy nhiên các hệ thống này chỉ sử dụng các thiết bị của cùng một nhà sản xuất. Các công trình tiêu biểu trên thế giới ứng dụng tiêu chuẩn IEC61850 như: - Hệ thống tự động hóa trạm biến áp GSC1000 của Toshiba. - Hệ thống trạm điện tự động IEC61850 – công ty điện lực Ấn Độ IEEE/PES, Ấn Độ, Tháng 9- 2008 Toshiba - Hệ thống tự động hoá trạm biến áp PACiS của AREVA hoạt động dựa trên thiết bị điều khiển mức ngăn C264. - Hệ thống tự động hoá trạm biến áp SICAM PAS của Siemens. 7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện nay do tập đoàn Điện Lực Việt Nam (EVN) yêu cầu các trạm biến áp muốn đóng điện vận hành thì trạm phải có hệ thống SCADA. Hệ thống SCADA được yêu cầu sử dụng và kết nối các thiết bị IED theo IEC 61850. Tuy nhiên số trạm biến áp tại Việt Nam hiện nay áp dụng tiêu chuẩn này vẫn chưa nhiều. Nếu có thì cũng là thiết bị của cùng một nhà sản xuất. Qua đó cho thấy việc nghiên cứu kết 9 nối các thiết bị IED của các nhà sản xuất khác nhau để lấy các tín hiệu phục vụ cho việc giám sát và điều khiển trạm biến áp là cần thiết ở Việt Nam hiện nay. Một số trạm biếp áp ở Việt Nam đang sử dụng tiêu chuẩn IEC 61850: - Trạm biến áp 110kV Hố Nai và 110kV Sông Mây thuộc Điện Lực Đồng Nai sử dụng hệ thống SCADA tích hợp thiết bị của nhà sản xuất AREVA theo IEC61850. - Trạm biến áp 220kV Cao Lãnh thuộc công ty Điện Lực miền Nam sử dụng hệ thống Computerize tích hợp thiết bị của nhà sản xuất SEL theo IEC61850. - Trạm biến áp 220kV Trà Vinh thuộc công ty Điện Lực miền Nam sử dụng hệ thống SAS tích hợp thiết bị của nhà sản xuất Toshiba theo IEC61850. - Trạm biến áp 220kV Bình Tân thuộc công ty Điện Lực Thành phố Hồ Chí Minh sử dụng hệ thống PACiS tích hợp thiết bị của nhà sản xuất AREVA (Alstom) theo IEC61850. 8. Kết cấu của đề tài Ngoài phần danh mục, phần mở đầu, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn được kết cấu gồm 5 chương. Chương 1: Tìm hiểu tổng quan về tiêu chuẩn IEC61850 Chương 2: Tìm hiểu sơ đồ thực tế điều khiển và bảo vệ của các trạm biến áp hiện nay Chương 3: : Mô tả cấu trúc mạng của một trạm biến áp tự động hóa theo IEC61850 Chương 4: Nghiên cứu hệ thống kết nối giữa RTU và IED theo IEC61850 Chương 5: Các bước thiết kế hệ thống kết nối giữa RTU và IED theo IEC 61850 10 Chương 1 Tìm hiểu tổng quan về tiêu chuẩn IEC61850 1.1 Giới thiệu về tiêu chuẩn IEC61850 IEC ( Tổ chức kỹ thuật điện quốc tế ) là một tổ chức trên toàn thế giới cho sự tiêu chuẩn hoá các thiết bị điện tử thông minh (IED) của các nhà sản xuất khác nhau trong các trạm biến áp tự động hóa (Substation Automation - SA). Nó là một tập thể gồm có tất cả các uỷ ban kỹ thuật điện quốc gia (những uỷ ban IEC quốc gia). Mục tiêu của IEC là đẩy mạnh sự hợp tác quốc tế về tất cả các câu hỏi quan tâm đến sự tiêu chuẩn hoá trong những lĩnh vực điện và điện tử. Cùng những hoạt động khác, IEC xuất bản những tiêu chuẩn quốc tế. Sự chuẩn bị của họ được giao phó tới những uỷ ban kỹ thuật. Những tổ chức phi chính phủ và quốc tế. Tổ chức IEC cũng cộng tác gần gũi với tổ chức quốc tế (ISO) cho sự tiêu chuẩn hoá với những điều kiện xác định bởi thoả thuận giữa hai tổ chức. Quyết định về mặt hình thức hoặc những thoả thuận của IEC về các vấn đề kỹ thuật quan trọng phải dựa trên các đề tài thích đáng từ mỗi uỷ ban kỹ thuật và phải có sự trình bày cho tất cả các uỷ ban quốc gia quan tâm cùng sự đồng ý quốc tế với những quan điểm trên. Tài liệu IEC được xây dựng dưới dạng giới thiệu cho các quốc gia tham khảo và được xuất bản dưới dạng những tiêu chuẩn, những báo cáo kỹ thuật hoặc những hướng dẫn và chúng được chấp nhận bởi những uỷ ban kỹ thuật của quốc gia đó. Để đẩy mạnh sự hợp tác quốc tế giữa IEC quốc gia và những uỷ ban áp dụng tiêu chuẩn quốc tế IEC. Các tiêu chuẩn này sẽ dựa trên các tiêu chuẩn của các quốc gia của họ. Bất kỳ sự khác nhau nào giữa tiêu chuẩn IEC và tiêu chuẩn quốc gia tương ứng đều sẽ được giới thiệu trong tiêu chuẩn này. IEC sẽ không thể kết nối và giao tiếp với bất kỳ những thiết bị nào khai báo không chính xác hoặc không phù hợp với một trong những tiêu chuẩn của nó. 11 Tài liệu của tiêu chuẩn IEC61850 là một tập hợp các thuyết minh cho các mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Trình tự bố cục các bộ phận của IEC 61850 như sau: 9 IEC61850 – 1 : Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần1: Lời giới thiệu và tổng quan. 9 IEC61850 – 2 : Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần 2: Bảng chú giải 9 IEC61850 – 3 : Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần 3: Yêu cầu chung 9 IEC61850 – 4 : Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần 4: Hệ thống và quản lý dự án. 9 IEC61850 – 5 : Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần 5: Những yêu cầu truyền thông cho những thiết bị mẫu. 9 IEC61850 – 6: Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần 6: Ngôn ngữ cấu hình hệ thống tự động hoá trạm. 9 IEC61850 – 7-1 : Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần 7-1: Cấu trúc truyền thông cơ bản cho thiết bị trong trạm và những lộ ra - Những nguyên lý và mô hình. 9 IEC61850 – 7-2: Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần 7-2: Cấu trúc truyền thông cơ bản cho thiết bị trong trạm và những lộ ra – truy xuất giao diện dịch vụ truyền thông (ACSI) 9 IEC61850 – 7-3 : Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần 7-3: Cấu trúc truyền thông cơ bản cho thiết bị trong trạm và những lộ ra – Các lớp dữ liệu chung. 9 IEC61850 – 7-4 : Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. 12 Phần 7-4: Cấu trúc truyền thông cơ bản cho thiết bị trong trạm và những lộ ra – Sự tương thích giữa các node logic và các lớp dữ liệu. 9 IEC61850 – 8-1 : Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần 8-1: Ánh xạ dịch vụ truyền thông đặc biệt (SCSM) ánh xạ tới MMS (ISO /IEC 9506 phần 1 và phần 2) 9 IEC61850-9-1: Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần 9-1: Ánh xạ dịch vụ truyền thông đặc biệt (SCSM) Liên kết nối tiếp các điểm theo một hướng. 9 IEC61850-9-2: Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm. Phần 9-2: Ánh xạ dịch vụ truyền thông đặc biệt (SCSM) ánh xạ trên một IEEE 802.3 dựa trên quá trình xử lý bus. 9 IEC61850 – 10 : Mạng và những hệ thống truyền thông trong trạm Phần 10: Kiểm tra hệ thống Nội dung phần này được dựa vào các tồn tại hoặc phát sinh từ những tiêu chuẩn và những ứng dụng. 1.2 Thách thức và mục tiêu của IEC61850 Tự động hoá trong trạm điện đã phát triển song song với sự phát triển của công nghệ số từ giữa những năm 1980 cùng với công nghệ truyền thông. Người sử dụng yêu cầu những hệ thống tự động trong trạm hiện nay phải ngày càng tăng cường độ tin cậy. Sự trao đổi dữ liệu, những nghi thức truyền thông đã trở thành những phần tử quan trọng trong những hệ thống tự động hoá này. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nhiều giao thức được tích hợp trong các phần tử của hệ thống như Modbus, DNP3 và IEC60870 nhưng sự liên lạc giữa các thiết bị bảo vệ và thiết bị điều khiển từ những nhà sản xuất khác nhau trong cùng một trạm vẫn không thể giao tiếp trực tiếp với nhau một cách đơn giản và dễ dàng mà phải thông qua các thiết bị chuyển đổi giao thức rất phức tạp và tốn kém. Để đơn giản hoá các luồng dữ liệu và kiểm soát tất cả các chức năng tự động hoá trong trạm một cách có khoa học, đồng thời để nâng cao tính cạnh tranh, thuận lợi cho quá trình mở rộng và phát triển hệ thống sau này thì tiêu chuẩn IEC 13 61850 đã được lựa chọn để phục vụ cho tất cả các ứng dụng trên. Trong tương lai, tiêu chuẩn này sẽ còn được các nhà đầu tư đẩy mạnh tiêu chuẩn hoá nhiều hơn nữa. Vào thập niên trước hệ thống tự động hoá trong trạm đã phát triển một cách đáng kể, ngoài việc phát triển các chức năng cơ bản tốt hơn còn thêm các chức năng phụ như là ghi lại sự cố. Nhiều chức năng này dựa vào truyền thông giữa các thiết bị, ví dụ như là giữa các thiết bị điều khiển hoặc giữa thiết bị điều khiển và thiết bị bảo vệ trạm. Với sự phát triển của công nghệ, truyền thông đã trở nên khác biệt hơn và không thể thiếu trong hệ thống tự động hoá trạm. Bởi việc sử dụng các giao thức khác nhau, hệ thống truyền thông có thể cung cấp thông tin trao đổi giữa các góc của hệ thống tự động hoá trạm Một số giao thức lớn tồn tại hôm nay bởi vì sự phát triển của khoa học kỹ thuật và cũng vì mỗi giao thức bao trùm duy nhất một vùng nhỏ của hệ thống tự động hoá trong trạm. Bây giờ ở Châu Âu, tự động hoá trong trạm gồm 3 cấp bậc, như là cấp trạm, cấp ngăn lộ, cấp xử lý như ở hình 1.1 và 1.2. Truyền thông giữa cấp trạm, cấp ngăn lộ được thực hiện bởi các giao thức khác nhau như DNP3, LON, MODBUS, và nhiều dạng khác…Việc đấu nối song song được sử dụng phần lớn trong truyền thông giữa cấp trạm và cấp ngăn lộ. Trong một vài nước chỉ hai mức cấp trạm và cấp xử lý được dùng. Trong trường hợp này, thành phần của hệ thống điều khiển trạm được kết nối theo đường bus của trạm và cấp được kết nối song song với nhau. Trung tâm điều Cấp Trạm Router hoặc Gateway/ chuyển đổi IEC61850/IEC60870-5-101 HMISCADA trạm IEC61850 (Bus kết nối của trạm) Cấp ngăn lộ Rơle Micom Rơle ABB Rơle SEL Rơle Siemens Rơle Toshiba IEC618570-9-1 & 9-2 (Bus xử lý) Cấp xử lý Thiết bị đo Thiết bị đo Thiết bị đo Hình 1.1: Ba mức trong ngăn lộ trạm 14 Dịch vụ kỹ thuật Cấp trạm Chức năng A Chức năng B Cấp ngăn lộ Cấp ngăn lộ Bảo vệ Điều khiển Bảo vệ Điều khiển Cấp xử lý Thiết bị cao thế Thiết bị cao thế Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống IEC61850 Những cổng vào hoặc những bộ chuyển đổi giao thức, phần lớn giải quyết những vấn đề khác nhau giữa các giao thức, nhưng chúng đã góp phần làm cho giá thành của hệ thống tăng lên. Chúng cũng làm cho trì hoãn và có thể gây ra lỗi trong đường truyền thông. Trong một trạm thực tế tại Mỹ có hơn 45 bộ chuyển đổi giao thức được sử dụng để các thiết bị bảo vệ và điều khiển giao tiếp với nhau. Thậm chí trong trường hợp những nơi mà cổng nối không sử dụng, phần lớn các giao thức có thể gây rắc rối giữa người sử dụng và nhà sản xuất. Trong thực tế, nhân sự cần được huấn luyện sử dụng tất cả các giao thức. Trong thực tiễn toàn cầu hoá hiện nay người ta có thể thuê các nhà tư vấn nước ngoài. Điều đó cho thấy việc sử dùng ít các giao thức là điều cần thiết. Các nhà sản xuất, những nhà bán hàng lớn và những nhà tiếp thị cũng cần phải tiếp cận với sự đa dạng của những giao thức. Việc giảm bớt các giao thức là có lợi vô cùng cho nhà sản xuất lẫn nhà sử dụng. Tiêu chuẩn hóa là chìa khóa cho sự phát triển việc kết nối và vận hành hệ thống. Nhờ vào việc tiêu chuẩn hóa, cả nhà sử dụng và nhà cung cấp có thể đạt được những giải pháp tin cậy và kinh tế. Một khách quan toàn cầu cho những hệ thống tự động trong trạm là giảm bớt các giao thức, vì nó vừa đáp ứng được các nhu cầu của nhà sử dụng và vừa giúp cho giá thành của hệ thống được giảm xuống. Để đạt được điều này cần có một tiêu chuẩn duy 15 nhất trên thế giới. Tiêu chuẩn này phải là một hệ thống mở nó cho phép các thiết bị từ những nhà sản xuất khác nhau có thể hoạt động cùng với nhau. Tiêu chuẩn linh hoạt nên có thể tồn tại cùng với sự thay đổi sở thích của nhà sử dụng cũng như sự đổi mới của nhà sản xuất như những chức năng nó không có trong ngày hôm nay nhưng trong tương lai nó có thể có. Nó phải cho phép một nhà sản xuất chứng tỏ sản phẩm của mình có thể hoạt động cùng các sản phẩm của các nhà sản xuất khác. Công nghệ truyền thông có thể thay đổi trước thời gian hoạt động của trạm. Nếu công nghệ truyền thông thay đổi, thì tiêu chuẩn có thể thích ứng với sự thay đổi để nó không trở thành lạc hậu. Thiết bị tự động hoá trong trạm đòi hỏi phải thích nghi. Tiêu chuẩn sẽ cung cấp những công cụ để cập nhật, mở rộng, kiểm tra và bảo trì hệ thống tự động hoá và hệ thống truyền thông trong trạm ít nhất là trong thời gian hoạt động của trạm. Vào năm 1995 uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) chấp thuận cần có một tiêu chuẩn tổng quát hơn cho mạng thông tin và những hệ thống trong trạm. Việc thiết lập tiêu chuẩn mới là những nhóm TC57 WG10, WG11 và WG12 để phát triển thành đợt tiêu chuẩn này. Như ở hình 1.3. Ba nhóm này được đưa ra từ chuyên gia của nhiều nước. Với kinh nghiệm của IEC 60870 của những nghi thức và Utility Communications Architecture 2.0 (UCA 2.0), kết quả của một dự án tương tự tại Mỹ. Mục tiêu của sự nổ lực là tạo ra một tiêu chuẩn từ những thiết bị điện tử thông minh (IEDs) từ những nhà sản xuất khác nhau có thể hoạt động cùng với nhau trong một hệ thống tự động hoá trong trạm. Không phụ thuộc vào kích thước và nhu cầu thao tác của trạm. Tiêu chuẩn bao gồm cả điện áp cao và điện áp trung bình truyền dẫn và phân phối trong trạm. Nó đủ tính linh hoạt trước sự thay đổi của hệ thống trong tương lai. Ví dụ như thay đổi trong công nghệ truyền thông hoặc những chức năng tự động mới. Cơ quan IEC và Electric Power Research Institute (UCA 2.0) cùng nhau đạt được một tiêu chuẩn toàn cầu được chấp nhận chính là IEC 61850 “ mạng thông tin và hệ thống truyền thông trong trạm”. 16 Hình 1.3: Ba nhóm của IEC 1.3. Nhöõng ñaëc tính cuûa tieâu chuaån 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 cở sở đó, mô hình dữ liệu đối tượng của tiêu chuẩn sẽ chia các chứa năng của trạm thành những chức năng con, những chức năng con này được định nghĩa là các nút logic (Logical Node - LNs), LNs là thành phần cơ bản, các thông tin chủ yếu được trao đổi trên các LNs. Hình 1.5 cho thấy dữ liệu đầu vào, đầu ra và cấu trúc dữ liệu của một chức năng tổng quát. Một chức năng này muốn giao tiếp với chức năng khác phải qua các nút dữ liệu. Có khoảng gần 90 tiêu chuẩn hoá khác nhau về các nút logic bởi IEC 61850 và sau đây là một vài ví dụ : 9 PTOC – AC time over current protection : Bảo vệ quá dòng có thời gian. 9 RREC – Automatic reclosing : Tự đóng lại. 9 CSWI – Switch controller : Khoá điều khiển. 9 MMXU – Measuring for operative purpose : Thiết bị đo lường 9 XCBR – Circuit breaker : Máy cắt. 9 TCTR – Current Transformer : Biến dòng 17 Hình 1.4: Mô tả nút logic của các thiết bị IEC 61850 cũng là một tiêu chuẩn về trao đổi dữ liệu giữa các chức năng. Ví dụ: các khóa điều khiển được tiêu chuẩn hóa bởi nút logic CSWI. Trong hình 1.6 cho thấy cấp bậc của dữ liệu. Các dữ liệu truyền cho nút logic CSWI và tất cả các dữ liệu liên quan đến khoá điều khiển gồm có các loại : 9 Mod (chế độ) : enabled (cho phép), blocked (khóa), disabled (không cho phép), under test (chế độ kiểm tra)… 9 Health (Health) : no problems and in normal operation (không có vấn đề và hoạt động bình thường), minor problems but can operate safely (những vấn đề nhỏ nhưng có thể hoạt động được), severe problems and no operation possible ( vấn đề lớn và không thể cho phép hoạt động). 9 Name plate (NamePlt) : the technical details of the switch controller (đặc điểm kỹ thuật khoá điều khiển). 18 Hình 1.5: Dữ liệu vào ra của nút logic Bay A Bay A.XCBR.Pos Hình 1.6: Cấp bậc của các dữ liệu trong nút logic Trong trường hợp đặc biệt, trạng thái của các máy cắt, những lệnh đóng hay mở được quy định trong Pos. Không đi vào chi tiết bên trong Pos, chúng ta chỉ biết đơn giản là thông tin này được quy định trong Bay A/XCBR.Pos cho máy cắt ở Bay A. Đặc điểm nổi bật của tiêu chuẩn này là mọi người trên thế giới đều sử dụng được. 19 Những nút logic gắn liền với một nhiệm vụ nhất định trong một IED. Hình 1.6 cho thấy 3 IEDs và những nút logic tương ứng của chúng. Dữ liệu được trao đổi giữa CSWI (khoá điều khiển) và XCBR (máy cắt) cho máy cắt và các khóa điều khiển hoạt động. Ví dụ như là: mở máy cắt, lệnh mở từ CSWI (khoá điều khiển) được bus truyền đạt đến XCBR (máy cắt). Bus được chỉ là tượng trưng. Mạng thông tin hoặc nối dây song song có thể được sử dụng. Thiết bị logic IED1 Quá dòng có thời PTOC RREC Tự đóng lại CSWI Biến dòng Khóa điều khiển MMXU Thiết bị đo lường IED1 IED3 IED2 TCTR XCBR Máy cắt Hình 1.7: ví dụ về IED và các nút logic 1.4. Caùc tieâu chuaån hoaù veà caùc nuùt logic 1.4.1 Nút logic 9 Các node logic hệ thống bắt đầu với “L” 9 Các node logic giao diện giữa người và máy bắt đầu với “I” 9 Các node logic cấp ngăn lộ bắt đầu với “C”, “P”, “R”, “A”, hoặc “M” 9 Các node logic cấp xử lý và cấp thiết bị bắt đầu với “S”, “X”, “T”, “Y”, hoặc “Z” 9 Các node logic chung bắt đầu với “G” Bảng 1.1: Tiêu chuẩn hóa các nút logic Tiếng Anh Tiếng Việt IEC 61850 Logical nodes for Prorection Function group: P Logical node zero Nút logic 0 LLNO IEEE 20 Physical device information Thiết bị cung cấp thông tin LPHD Basic protection relay Rơ le bảo vệ cơ bản PBPR Directional element Thiết bị định hướng PDIR Harmonic restraint Sóng hài PHAR Protection scheme Phối hợp bảo vệ PSCH Transient earth fault Sự cố chạm đất thóang qua PTEP Zero speed or underspeed Tốc độ thấp PZSU Distance protection Bảo vệ khoảng cách PDIS Volt per Hz relay Rơ le quá từ PVPH 24 Undervoltage Điện áp thấp PTUV 27 Directional overpower Định hướng quá công suất PDOP 320 Directional underpower Định hướng công suất thấp PDUP 32U Undercurrent Dòng điện thấp PTUC 7C Thermal overload relay Rơ le nhiệt độ PTTR 49 Instantaneous overcurrent Qua dòng cắt nhanh PIOC 50 Time overcurrent Quá dòng có chỉnh định thời gian PTOC 51 Voltage controlled / dependent Quá dòng có kiểm tra điện áp time overcurrent PVOC 51V Over power factor relay Rơ le quá công suất POPF 550 Under power factor relay Rơ le công suất thấp PUPF 55U Overvoltage Quá điện áp PTOV 59 Ground detector relay Rơ le chống chạm đất PHIZ 64 Directional earth fault Định hướng lỗi chạm đất PDEF 67 Phase angle relay Rơ le mất đồng bộ PPAM 78 Over frequency protection Bảo vệ quá tần số PTOF 810 Under frequency protection Bảo vệ tần số thấp PTUF 81U 21