THIẾT kế hệ THỐNG GIÁM sát SCADA với CÔNG NGHỆ 4 0

điều khiển máy tính phân tán DCS có hai cổng kết nối trực tiếp, đồng thời và độc lập với hệ thống SCADAEMS của trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc gia và trung tâm điều độ hệ thống điện miền nơi đặt nhà máy

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT SCADA VỚI CÔNG NGHỆ 4.0

Chương 1 GIỚI THIỆU

Ngày nay với tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử, kỹthuật truyền thông và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo chuyểnbiến cơ bản trong hướng đi cho các giải pháp tự động hóa Xu hướng phân tán, mềmhóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng cho sự thay đổi này Những xuhướng mới đó không nằm ngoài mục đích giảm giá thành giải pháp, nâng cao hiệuquả vận hành hệ thống điện, nâng cao hiệu quả sản xuất điện Sự ứng dụng rộng rãicác hệ thống mạng truyền thông, đặc biệt là công nghệ Bus trường đã trở nên khôngthể thiếu được trong các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại

1.1 Tính cần thiết nâng cấp tự động hóa

Nhà máy thủy điện Trị An có bốn tổ máy công suất thiết kế 4x100MW, côngsuất cực đại 4x110MW; hai trạm phân phối điện 220kV và 110kV với sơ đồ hệthống hai thanh cái có thanh cái vòng, hệ thống điều khiển nhị thứ được thiết kế theokiểu truyền thống Rơle bảo vệ đường dây và thanh cái dùng Rơle kỹ thuật số củahai hãng ABB và siemens, các Rơle được đặt tại trạm phân phối do đó muốn biếtthông số hay các sự kiện sự cố thì phải đến nơi đặt rơle mới có thể biết được Điềukhiển Dao cách ly chỉ điều khiển tại chổ, điều khiển máy cắt từ xa và tại chỗ, cápđiều khiển và tín hiệu từ trạm phân phối đến phòng điều khiển trung tâm với sốlượng khá lớn và hay bị chuột cắn gây chạm đất – chạm cáp dẫn đến sự cố đặc biệt

là vào mùa mưa và thời gian tìm chạm cáp khá lâu Khi xảy ra sự cố, muốn xác địnhthông tin chính xác hay cần thao tác chuyển đổi máy cắt thay thế thì phải ra tận nơiđặt thiết bị để xem hoặc thao tác nên thời gian tái lập cung cấp điện lâu thậm chí làthao tác nhầm do ảnh hưởng từ áp lực công việc hay từ gia đình gây sự cố, không antoàn cho người và thiết bị

Theo qui định của bộ công nghiệp về việc đấu nối vào hệ thống điện Quốcgia: Các nhà máy điện có công suất lớn từ 50MW trở lên phải được trang bị hệ

thống điều khiển máy tính phân tán DCS có hai cổng kết nối trực tiếp, đồng thời vàđộc lập với hệ thống SCADA/EMS của trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc gia

và trung tâm điều độ hệ thống điện miền nơi đặt nhà máy Cũng theo quyết định số26/2006/QĐ – TTg ngày 26 tháng 01 năm 2006 của thủ tướng chính phủ về việcphê duyệt lộ trình, các điều kiện hình thành và phát triển các cấp độ thị trường điệnlực tại Việt Nam, các nhà máy điện muốn tham gia vào thị trường điện phải từngbước xây dựng cho mình hệ thống quản lý vận hành và hệ thống đo đếm từ xa(SCADA/EMS) đáp ứng yêu cầu của thị trường điện trong từng giai đoạn phát triển

1.2 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu nâng cấp tự động hóa

Từ những yếu tố trên, đề tài mang tính nghiên cứu ứng dụng, giới hạn tậptrung nghiên cứu hệ thống DCS-SCADA/EMS với khả năng điều khiển – giám sát –thu thập dữ liệu nhằm ứng dụng nâng cấp tự động hóa trạm phân phối điện nhà máyThủy điện Trị An, khắc phục các nhược điểm ở trên

1.3 Tính thực tiễn của đề tài

Mong muốn của đề tài là bằng kiến thức đã được học, chúng ta có thể tự thiết

kế - nâng cấp hệ thống với những ưu điểm sau:

1 Giảm giá thành giải pháp: Không phải chi phí cho việc thiết kế, cũng nhưlắp đặt – thử nghiệm trước khi đưa vào vận hành

2 Làm chủ thiết bị: Từ khâu thiết kế, lập dự toán cho đến thi công lắp đặt –thử nghiệm đưa vào vận hành thì coi như chúng ta đã nắm rõ từng mạch, từng bomạch – từng thiết bị, làm chủ hoàn toàn công nghệ, do đó khi xảy ra trục trặc - sự cốthì có thể chủ động xử lý một cách nhanh chóng – không phải bỡ ngỡ tốn nhiều thờigian

3 Thiết bị công nghiệp như PLC, modul truyền thông, modul I/O, cáp quang,Hub quang…hầu như có sẵn trên thị trường Việt Nam nên khi hư hỏng thì chỉ cầnvài ngày là có thể mua được rồi, trong khi thiết bị đặt chủng (của ABB chẳng hạn)thì thời gian đặt hàng (ngoài nước) khá lâu, hơn nữa giá thành mỗi board mạch kháđắt 7000-8000 USD mỗi board…

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA

2.1 Giới thiệu

Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control AndData Acquisition) là một phần không thể thiếu được trong một hệ thống tự động hóahiện đại Tiến bộ trong các lĩnh vực truyền thông công nghiệp và công nghệ phầnmềm đã thực sự đem lại nhiều khả năng mới, giải pháp mới

Giống như nhiều từ viết tắt có tính chất truyền thống khác, khái niệm SCADA cũng được hiểu với những ý nghĩa hơi khác nhau, tuỳ theo lĩnh vực ứngdụng và theo thời gian Có thể, khi nói tới SCADA người ta chỉ liên tưởng tới một hệthống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa vàtruyền tải về một khu trung tâm để xử lý

Vì vậy, trong hệ thống điện EVN thì quan điểm kết nối điều khiển-Giám Thu thập dữ liệu từ các trạm điện, các nhà máy điện cho đến các trung tâm điều độmiền A1, A2, A3 và điều độ A0 được cho là một hệ thống SCADA; còn chỉ nội bộtrong trạm điện hay nhà máy điện thì được gọi là DCS điều khiển phân tán

sát-Các thiết bị trong hệ thống thông tin tín hiệu trong trạm bao gồm: cấu hình hệthống điều khiển trạm, HUB quang; máy tính sửa chữa hệ thống; thiết bị lưu trữ dữliệu; GPS; Router v.v Các hệ thống ứng dụng trong công nghiệp khai thác dầu khí

và phân phối năng lượng là những ví dụ tiêu biểu Theo cách hiểu này, vấn đề truyềnthông được đặt lên hàng đầu

Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống tự động hóa trạm

Trong nhiều trường hợp, các khái niệm SCADA và "None-SCADA" lại đượcdùng để phân biệt các giải pháp điều khiển giám sát dùng công cụ phần mềm chuyêndụng (ví dụ FIX, InTouch, WinCC, Lookout, ) hay phần mềm phổ thông (Access,Excel, Visual Basic, Delphi, JBuilder, ) ở đây, công nghệ phần mềm là vấn đềđược quan tâm chủ yếu

Nói một cách khái quát, một hệ SCADA không có gì khác là một hệ thốngĐiều khiển-Giám sát-Thu thập dữ liệu, tức là một hệ thống hỗ trợ con người trongviệc quan sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường.Đương nhiên, để có thể quan sát và điều khiển từ xa cần phải có hệ thống truy nhập(không chỉ thu thập!) và truyền tải dữ liệu, cũng như cần phải có giao diện người-máy (Human-Machine Interface, HMI) Tùy theo trọng tâm của nhiệm vụ mà người

ta có thể có những cách nhìn khác nhau

Như ta thấy, HMI là một thành phần trong một hệ SCADA, tuy nhiên khôngphải chỉ ở cấp điều khiển giám sát, mà ngay ở các cấp thấp hơn người ta cũng cầngiao diện người-máy phục vụ việc quan sát và thao tác vận hành cục bộ Vì lý do giáthành, đặc tính kỹ thuật cũng như phạm vi chức năng, ở các cấp gần với quá trình kỹ

thuật này các OP chuyên dụng chiếm vai trò quan trọng hơn

Sự tiến bộ trong công nghệ phần mềm và kỹ thuật máy tính PC, đặc biệt là sựchiếm lĩnh thị trường của hệ điều hành Windows XP cùng với các công nghệ củaMicrosoft đã thúc đẩy sự phát triển của các công cụ tạo dựng phần mềm SCADAtheo một hướng mới, sử dụng PC và Windows XP làm nền phát triển và cài đặt Từphạm vi chức năng thuần tuý là thu thập dữ liệu cho việc quan sát, theo dõi quá trình,một hệ SCADA ngày nay có thể đảm nhiệm vai trò điều khiển cao cấp, điều khiểnphối hợp Phương pháp điều khiển theo mẻ, điều khiển theo công thức (batchcontrol, recipe control) là những ví dụ tiêu biểu Hơn nữa, khả năng tích hợp hệ điềukhiển giám sát với các ứng dụng khác như các phần mềm quản lý, tối ưu hóa hệthống, của toàn công ty cũng trở nên dễ dàng hơn

Trong giải pháp điều khiển SCADA, hệ thống truyền thông ở các cấp dưới(bus trường, bus chấp hành-cảm biến) đã có sẵn Nếu như mạng máy tính của một công ty cũng đã được trang bị (chủ yếu dùng Ethernet), thì cơ sở hạ tầng cho việc truyền thông không còn là vấn đề lớn phải giải quyết Chính vì vậy, trọng tâm của việc xây dựng các giải pháp SCADA trong thời điểm hiện nay là vấn đề lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống

2.2 Các thành phần chức năng cơ bản

Xét một cách tổng quát, một hệ SCADA bao gồm các thành phần chức năngliệt kê dưới đây

a Phần cứng

Thiết bị thu thập dữ liệu: PLC, RTU, PC, I/O, các đầu đo thông minh

Hệ thống truyền thông: Mạng truyền thông, các bộ dồn kênh/phân kênh,Modem, các bộ thu phát

Trạm quản lý dữ liệu: Máy chủ (PC, Workstation), các bộ tập trung dữ liệu(Data concentrator, PLC, PC)

Trạm vận hành (Operator Station)

b Phần mềm:

Giao diện vào/ra (phần mềm giao diện quá trình), dưới dạng các I/O

Drivers, I/O-Servers (DDE,OPC, )

Giao diện người-máy

Cơ sở dữ liệu quá trình

Hệ thống cảnh báo, báo động

Lập báo cáo tự động

Điều khiển cao cấp: Điều khiển mẻ, điều khiển trình tự, điều khiển

công thức, điều khiển chuyên gia

Điều hành viên

HMI giao tiếp với Điều hành viên

Trạm điều khiển trung tâmMTU(Master Terminal Unit)

Môi trường truyền thông giữa MTU

và RTU: Internet, vô tuyến, mạng điện thoại(có tốc độ thấp, thông thường là điều khiển vòng mở

Thiết bị thu thập dữ liệu và điều khiển RTU or PLC

Môi trường truyền thông giữa ở thiết bị từ xa, tốc độ tương đối cao , thông thường là điều khiển vòng kín (EIA-485, EIA-232…)

Thiết bị dữ liệu trường:Valvebơm, động cơ, cảm biến…

Hình 2.2: Cấu trúc phần cứng của SCADA

Hình 2.3: Các thành phần phần mềm trong hệ SCADA

2.3 Công cụ phần mềm SCADA/HMI

Phân loại theo phạm vi sử dụng:

Công cụ lập trình phổ thông

Công cụ tích hợp trong một hệ DCS

Công cụ độc lập, có thể sử dụng cho nhiều hệ thống khác nhau:

WinCC (Siemens), InTouch (Wonderware), FIX(Intellution),

Genesis(Iconics), LookOut (NI)

Phân loại theo kiến trúc phần mềm:

Kiến trúc truyền thống

Kiến trúc hướng đối tượng

Kiến trúc Web

Kiến trúc hướng đối tượng

Hiện nay, có lẽ không một phần mềm SCADA nào tự nhận là tiên tiến mà không đưa từ khóa hướng đối tượng vào danh sách các đặc tính ưu việt để quảng cáo Mặc dù trong đại đa số các trường hợp, cách sử dụng thuật ngữ như vậy mang tính chất lạm dụng, nhưng qua đó ta cũng thấy ít hay nhiều tầm quan trọng của công

nghệ đối tượng Thực chất, các thư viện thành phần sẵn có trong những sản phẩmthuộc thế hệ mới thường được xây dựng trên cơ sở một mô hình đối tượng, đặc biệtphải nói tới mô hình COM của Microsoft

Việc sử dụng một mô hình đối tượng thành phần chuẩn công nghiệp nhưCOM mang lại nhiều ưu thế như:

Nâng cao hiệu suất công việc thiết kế, xây dựng giao diện người-máy bằng cách sử dụng ActiveX-Controls

Nâng cao khả năng tương tác và khả năng mở rộng, hay nói cách khác

là tính năng mở của hệ thống

Thuận lợi trong việc sử dụng một chuẩn giao diện quá trình như OPC

để kết nối với các thiết bị cung cấp dữ liệu

Quả thật, hầu hết các phần mềm SCADA tiên tiến nhất hiện nay đều hỗ trợCOM, cụ thể là đều có ba đặc điểm nêu trên Nếu trước đây để tạo được một mànhình giao diện đồ họa, một kỹ sư có kinh nghiệm cần trung bình một vài ngày, thìnay thời gian có thể giảm xuống tới một vài giờ

Sử dụng một công cụ thích hợp, ta có thể hoàn toàn tập trung vào công việc chính mà không cần kiến thức chuyên sâu về lập trình Công nghệ đối tượng thành phần và các phương pháp không lập trình đã mở ra khả năng này Kiến trúc Web chỉ trong vòng mấy năm gần đây đã phát triển thànhmột trong những công nghệ tin học quan trọng bậc nhất Không chỉ là một phươngtiện truyền bá và truy nhập thông tin đại chúng như trong thời gian đầu mới hìnhthành, bản thân Web hiện đã trở thành một môi trường đa năng cho các ứng dụngphân tán

Một ứng dụng Web cấu thành bởi sự tương tác giữa Web server, Webbrowser, trang HTML (Hypertext Markup Language) với các ứng dụng và phụ kiệnkhác Những ứng dụng đó cũng hay được gọi là các ứng dụng nhiều lớp (multi-tierapplications)

Sử dụng Web làm nền cho các ứng dụng SCADA không chỉ mang lại hiệuquả về thời gian cài đặt phần mềm, mà trước tiên là mở ra khả năng mới cho việc

tích hợp hệ thống tự động hóa trong một hệ thống thông tin thống nhất của công ty.Điều khiển giám sát không còn là chức năng độc quyền của các chuyên viên kỹthuật Một giám đốc điều hành sản xuất, hay một tổng giám đốc công ty đều có thểquan sát và tham gia điều hành quá trình sản xuất từ phòng làm việc riêng, chỉ quamàn hình, bàn phím và chuột Tương tự, các báo cáo về tình hình sản xuất cũng nhưcác chỉ thị không nhất thiết phải đi theo con đường giấy tờ hay truyền miệng, màtrực tiếp diễn ra "on-line"

Chương 3 CÁC CHUẨN GIAO THỨC

3.1 Giới thiệu khái quát về giao thức kết nối

Trong các hệ thống SCADA thì giao thức kết nối đóng vai trò quan trọng đểliên kết các phần của hệ thống với nhau Có nhiều giao thức hỗ trợ hệ thống nhưngtùy vào từng kiểu loại hệ thống và thiết bị của hệ thống để chọn lựa giao thức thíchhợp

–ABB với giao thức LON, SPA Bus, IEC60870-5-103, 104

–Siemens với giao thức PROFIBUS FMS, DNP 3.0, IEC60870-5-103, 104.–Areva với giao thức K-Bus, DNP3.00, IEC60870-5-103

–SEL với giao thức UCA2.0, DNP3.00

Giao thức truyền thông cho phép hai thiết bị truyền thông giao tiếp với nhau

mà sử dụng cùng một giao thức nếu không sẽ xuất hiện lỗi Vì thế, tiện ích luôn luôn

bị hạn chế với chỉ một nhà cung cấp Với mục đích của các hệ thống mở mongmuốn rằng những thiết bị từ một nhà cung cấp có khả năng giao tiếp với thiết bịkhác từ nhà cung cấp khác nghĩa là các thiết bị được sử dụng rộng rãi Sử dụng giaothức mở đưa ra những lợi thế sau:

–Mở rộng hệ thống kết nối–Nhà cung cấp là độc lập–Những chi phí kỹ thuật thấp–Dữ liệu (thông tin) có sẵn

Tại đây có một số khó khăn như là đòi hỏi tốc độ cao hơn cho cùng một hiệuquả có thể không tồn tại với giao thức mở Một số truyền thông hiện hữu là phươngpháp giao thức và tiêu chuẩn sẽ được tìm hiểu dưới đây

Khả năng phối hợp và các tiêu chuẩn mở:

Trong quá khứ, hệ thống thông tin liên lạc giao thức kết nối SCADA đã đượcchọn phát triển như chuyên riêng, từng được tạo ra bởi một nhà sản xuất như là mộtphần của hệ thống độc quyền để đáp ứng cụ thể của một ngành công nghiệp Đây là

sự cần thiết như là sự thích hợp cho các tiêu chuẩn cho đến nay đã không tồn tại.Tuy nhiên, giao thức kết nối độc quyền có các nhược điểm đối với người sử dụng.Với tư cách là một hệ thống được phát triển theo thời gian và để mở rộng bằng cách

sử dụng cùng một hệ thống độc quyền hoặc là được điều khiển để thay thế 1 phầncủa hệ thống để thay đổi giao thức kết nối khác của nhà sản xuất

Phát sinh từ các bất lợi này và tăng việc sử dụng hệ thống SCADA thôngthường, sự cần thiết của các tiêu chuẩn mở là được công nhận Sự công nhận này cầnđược chuyển vào nổ lực của một số tổ chức của một số Quốc gia

Chìa khóa chính của các tiêu chuẩn mở là nó cung cấp khả năng phối hợpgiữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau Điều này có nghĩa là như một ví dụ:một người mua hệ thống trang thiết bị như hệ thống chủ từ một trong những nhà sảnxuất và có thể thêm vào RTU từ một nhà sản xuất khác Các RTU có thể có một sốrơle kiểm soát các kết nối với nó là thiết bị điện tử thông minh và có thể sử dụng cácgiao thức kết nối Tất cả các thiết bị này có thể có cực nguồn từ nhà sản xuất khácnhau, một số khác có trong cài đặt ban đầu hoặc tiến triển dần dần khi hệ thống pháttriển theo thời gian Một số lợi ích khác nhau phát sinh từ việc sử dụng các giao thứckết nối mở rộng được liệt kê dưới đây được nhóm lại tức thời và có hiệu quả dài hạn

Hình 3.1: Mô hình giao thức kết nối của một trạm điều khiển

3.1.1 Các thành phần của giao thức kết nối

–Trạm chủ / trung tâm vận hành SCADA

Kết nối Người vận hành và các trung tâm vận hành điều khiển khác

–Các đơn vị đầu cuối từ xa

Giao diện giữa các IED và trạm máy chủ Có thể tự giới hạn kiểm soát

–Các thiết bị điện tử thông minh

Những cảm biến và đồng hồ đo, Rơle và các bộ tác động khác

–Các thiết bị điều khiển PLC

Các lợi ích tức thời

–Khả năng kết nối giữa các nhà thiết bị

–Giao thức kết nối ít hơn để hỗ trợ trong các lĩnh vực

–Giảm chi phí phần mềm

–Không có bộ chuyển đổi giao thức kết nối cần thiết

–Rút ngắn lịch giao hàng

–Tốn ít thời gian kiểm tra, bảo trì và đào tạo

–Nâng cao chất lượng tài liệu hướng dẫn

–Kiểm tra tương thích độc lập có thể được cung cấp

Các lợi ích lâu dài

–Dễ dàng mở rộng hệ thống

–Tuổi thọ sản phẩm lâu dài

–Nhiều giá trị gia tăng của sản phẩm từ các nhà sản xuất

–Nhanh hơn thông qua công nghệ mới

–Tiết kiệm các công đoạn chính

3.2 Giao thức IEC 61850

3.2.1 Giới thiệu IEC 61850

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 hànhquy định kỹ thuật của hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp(TBA), tuy nhiên

vấn đề khó khăn nhất là khả năng tương thích về tiêu chuẩn kết nối giữa các thiết bịcủa các hãng khác nhau Để nâng cao tính cạnh tranh, thuận lợi cho quá trình mởrộng phát triển hệ thống, tiêu chuẩn truyền thông IEC 61850 được EVN lựa chọncho các ứng dụng tự động hoá TBA

Thông thường cách đơn giản nhất để truyền dữ liệu giữa thiết bị gởi và nhận

là truyền trực tiếp mà không có bất kỳ sự chuyển đổi nào Tình hình hiện nay là cóquá nhiều chuẩn và giao thức được sử dụng trong một trạm biến áp, để cho các thiết

bị có chuẩn và giao thức khác nhau cùng hoạt động trong một hệ tích hợp thì cầnphải sử dụng các bộ chuyển đổi giao thức, tuy nhiên những bộ chuyển giao thức lại

có thể gây ra những lỗi và sự trì hoãn trong việc truyền dữ liệu

Tự động hoá TBA (Substation Automation - SA) là hệ thống cho phép cácchức năng về điện của trạm được giám sát, điều khiển và phối hợp bởi các thiết bịphân 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) Xâydựng 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 vàgiữa các IEDs với trung tâm điều khiển sẽ rất quan trọng khi thực hiện các chứcnăng tự động hoá của trạm Rất nhiều các giao thức truyền thông được sử dụng trongviệc giám sát điều khiển xa TBA, các giao thức phổ biến như Modbus, DNP3 vàIEC 60870 Các giao thức trên không có sự tương đồng (Interoperability) hoàn toànkhi được cung cấp bởi các hãng khác nhau, đồng thời hạn chế về tốc độ xử lý nênviệc xây dựng các ứng dụng tự động hoá trạm trên nền tảng các giao thức truyềnthống 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

Tiêu chuẩn IEC 61850 ra đời nhằm tạo ra một giao thức trao đổi thông tinchuẩn, hỗ trợ khả năng trao đổi thông tin lẫn nhau giữa các IED từ nhiều nhà sảnxuất khác nhau Đây là mục tiêu chung của các công ty điện lực, các nhà cung cấp

thiết bị cũng như của các nhà soạn thảo tiêu chuẩn Và thực tế, đã có nhiều nước và

tổ chức quốc tế tham gia hành động để đạt được mục tiêu này

Đối tượng của tiêu chuẩn tự động hóa trạm là nhằm phát triển một tiêu chuẩntrao đổi thông tin thỏa mãn các yêu cầu về chức năng, hiệu suất, và cũng hỗ trợ sựphát triển của công nghệ trong tương lai Để thật sự có được lợi ích này, cần phải có

sự nhất trí cao giữa nhà sản xuất IED và người sử dụng theo hướng các thiết bị cóthể trao đổi thông tin một cách tự do

Tiêu chuẩn trao đổi thông tin phải hỗ trợ các chức năng vận hành của trạm Vìvậy, tiêu chuẩn phải xét đến các yêu cầu vận hành trạm, nhưng mục đích của tiêuchuẩn là không chuẩn hóa (vì không giới hạn) các chức năng liên quan đến sự vậnhành trạm cũng như vị trí của chúng trong hệ thống tự động hóa trạm Những chứcnăng ứng dụng sẽ được định nghĩa và mô tả nhằm xác định các yêu cầu về trao đổithông tin Tiêu chuẩn giao thức trao đổi thông tin nên sử dụng các tiêu chuẩn đã có

và tuân thủ các nguyên lý chung về trao đổi thông tin

Tiêu chuẩn phải đảm bảo các đặc tính sau:

–Đó là khuôn mẫu trao đổi thông tin đầy đủ dựa trên các tiêu chuẩn trao đổithông tin đang tồn tại như IEC/IEEE/ISO/OSI, nếu có thể

–Các giao thức được dùng phải “mở” và hỗ trợ thiết bị tự mô tả (thiết bị có chứa thông tin trên cấu hình của nó) Có thể thêm mới một chức năng

–Tiêu chuẩn dựa trên các đối tượng dữ liệu có liên quan đến sự cần thiết củangành công nghiệp năng lượng điện

–Cú pháp và ngữ nghĩa của sự trao đổi thông tin dựa trên sự sử dụng của các đốitượng dữ liệu chung liên quan đến hệ thống điện

–Tiêu chuẩn trao đổi thông tin xem xét đến việc trạm là một nút trong mạng điện,tức là hệ thống tự động hóa trạm là một thành phần của hệ thống điều khiển toàn hệthống điện

Hình 3.2: Các khả năng của tiêu chuẩn IEC61850

trong ứng dụng tự động hoá TBA

3.2.2 Nội dung IEC 61850

IEC 61850 là tiêu chuẩn truyền thông quốc tế mới cho các ứng dụng tự độnghoá trạm Tiêu chuẩn cho phép tích hợp tất cả các chức năng bảo vệ, điều khiển, đolường và giám sát truyền thống của TBA, đồng thời nó có khả năng cung cấp cácứng dụng bảo vệ và điều khiển phân tán, chức năng liên động và giám sát phức tạp.Với ưu điểm của chuẩn truyền thông TCP/IP Ethernet, giao thức IEC 61850 có hiệunăng làm việc cao, xử lý thông tin đạt tốc độ 100Mbps và đơn giản trong việc thựchiện kết nối trên mạng LAN Tiêu chuẩn IEC 61850 bao gồm 14 phần chia thành 10chủ đề chính

Part 1: Introduction and overview

Part 2: Glossary

Part 3: General requirements

Part 4: System and project management

Part 5: Communication requirements for functions and device models

Part 6: Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs

Part 7-1: Basic communication structure for substation and feeder equipment – Principles and models

Part 7-2: Basic communication structure for substation and feeder equipment – Abstract communication service interface (ACSI)

Part 7-3: Basic communication structure for substation and feeder equipment – Common data classes

Part 7-4: Basic communication structure for substation and feeder equipment – Compatible logical node classes and data classes

Part 8-1: Specific communication service mapping (SCSM) – Mappings to MMS (ISO/IEC 9506-1 and ISO/IEC 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3

Part 9-1: Specific communication service mapping (SCSM) – Sampled values over serial unidirectional multidrop point to point link

Part 9-2: Specific communication service mapping (SCSM) – Sampled values overISO/IEC 8802-3

Part 10: Conformance testing

Để đảm bảo cho tất cả các ứng dụng về tự động hoá trạm hiện tại và tương laiđều có khả năng được hỗ trợ bởi tiêu chuẩn IEC61850, xây dựng mô hình dữ liệutrên 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 cơchế truyền thông linh hoạt Trên nền tảng giao thức truyền thông IEC 61850, các hệthống SA sẽ tăng tính linh hoạt, tăng khả năng tương đồng của các thiết bị, đơn giảnhoá việc thiết kế phần cứng, giảm chi phí lắp đặt, hạn chế được lỗi và sự can thiệpbằng tay từ người vận hành

Đối tượng chính của tiêu chuẩn IEC61850 là thiết kế hệ thống thông tin cókhả năng cung cấp sự tương đồng giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau, đểphối hợp thực hiện cùng một chức năng Trên cơ sở đó, mô hình dữ liệu đối tượngcủa tiêu chuẩn sẽ chia các chức năng của trạm thành những chức năng con, nhữngchức năng con này được định nghĩa là các node logic (Logical Nodes –LNs), LNs làthành phần chính của việc mô hình dữ liệu Các dữ liệu trong hệ thống IEC 61850

dựa trên các nút logic LNs, dữ liệu cũng chính là thành phần cơ bản của việc trao đổithông tin tín hiệu trong hệ thống tự động trạm Chức năng cơ bản như 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 củathiết bị do nhà sản xuất cung cấp

–Cụ thể tiêu chuẩn IEC 61850-7-4 qui định mô hình thông tin của thiết bị vàcác chức năng liên quan đến ứng dụng cho trạm – Tên dữ liệu và tên nút logic tươngthích cho trao đổi thông tin giữa các IEDs

* Lớp nút logic

+ Các nhóm nút logic

Các nút logic được phân nhóm theo danh sách nhóm nút logic cho trong bảngsau, tên của nút logic sẽ bắt đầu với ký tự đại diện cho nhóm mà nút logic được phânvào; với mô hình theo từng pha, mỗi đối tượng trên từng pha sẽ được tạo ra

Bảng 3.1:

Thông tin nút logic chung: Là thông tin độc lập của chức năng riêng được đại

diện bởi lớp nút logic Dữ liệu bắt buộc (M) là chung cho tất cả các lớp nút logic, dữliệu lựa chọn (0) có hiệu lực với một tập của lớp nút logic

Thông tin trạng thái: Là dữ liệu cho biết trạng thái của quá trình hoặc của

chức năng dùng vào lớp nút logic, thông tin này được tạo ra tại chổ và không thểthay đổi từ xa trừ khi có sự thay thế phù hợp Dữ liệu như “Start” or “Trip” được liệt

kê và bắt buộc

Cài đặt: Là dữ liệu cần cho chức năng để vận hành, vì nhiều cài đặt là độc lập

với sự thực hiện chức năng, chỉ có sự đồng ý tối thiểu chung được tiêu chuẩn hóa.Chúng có thể thay đổi từ xa nhưng không thường xuyên

Giá trị đo lường: Là dữ liệu tương tự đo lường từ thiết bị hoặc được tính toán

trong các chức năng như dòng điện, điện áp, công suất thông tin này được tạo ratại chổ và không thể thay đổi từ xa trừ khi có sự thay đổi thích hợp

Điều khiển: Là dữ liệu thay đổi do lệnh, như là trạng thái máy cắt ON/OFF, vị

trí bộ đổi nấc, chúng thường được thay đổi từ xa trong quá trình vận hành hơn là docài đặt

Giá trị đo đếm: Là dữ liệu tương tự đại diện cho việc đo đếm số lượng qua thời

gian, tức là năng lượng, công suất Thông tin này được tạo ra tại chổ và không thểthay đổi từ xa trừ khi có sự thay đổi thích hợp

+ Nút logic hệ thống:

Thông tin đặc trưng hệ thống bao gồm thông tin nút logic chung cũng như

thông tin liên quan đến thiết bị vật lý thực hiện thiết bị logic và nút logic, các nútlogic này độc lập với miền ứng dụng Tất cả các nút logic khác đều đặc trưng miềnnhưng kế thừa tính bắt buộc và lựa chọn dữ liệu từ các nút logic hệ thống này

Hình 3.3: Mối quan hệ giữa các nút logic

Tất cả các lớp nút logic định nghĩa trong phần này đều kế thừa cấu trúc củachúng từ lớp nút logic trừu tượng định nghĩa trong IEC 61850-7-2 Tách rời với lớpnút logic “thông tin thiết bị vật lý” ( Physical Device Information LPHD), tất cả cáclớp nút logic (LLN0 và LN đặc trưng miền) định nghĩa trong tiêu chuẩn này đều kếthừa ít nhất dữ liệu bắt buộc của nút logic chung (Common LN)

Kèm theo định nghĩa LNs, tiêu chuẩn còn định nghĩa thiết bị logic (LogicalDevices - LDs) và thiết bị vật lý (Physical Devices – PDs) Mỗi thiết bị logic LDsđược tập hợp từ nhiều node logic (LNs) và luôn hoạt động trên một thiết bị vật lý cụthể Thiết bị vật lý PDs có thể bao gồm một số thiết bị logic khác nhau, kèm theo đóthiết bị vật lý sẽ được xác định bằng một địa chỉ mạng (IP address) cụ thể

Hình 3.4: Ví dụ về mô hình dữ liệu của một rơle bảo vệ

đường dây: PD, LDs, LNs

Trên Hình 3.4 ta có thể thấy một rơle bảo vệ đường dây được định nghĩa làmột PD, các chức năng chính của rơle có thể thực hiện được như sau: bảo vệ (LD#1Protection), điều khiển máy cắt (LD#2 Control) và đo lường (LD#3 Meas) Với chứcnăng bảo vệ bao gồm bảo vệ quá dòng (LN#2) và bảo vệ khoảng cách (LN#1),tương tự các chức năng điều khiển và đo lường của rơle cũng được chia thành nhiềuchức năng con (LNs) riêng biệt

Trong thực tế các ứng dụng tự động hoá trạm phát triển chậm hơn so với khảnăng phát triển, nâng cấp của công nghệ truyền thông Do đó để đảm bảo khả nănghoạt động của các ứng dụng khi hệ thống thông tin được nâng cấp, tiêu chuẩn địnhnghĩa các giao tiếp dịch vụ truyền thông cơ bản (Abstract Communications ServicesInterface - ACSI) như đọc ghi dữ liệu (GetDataValue, SetDataValue) , các địnhnghĩa 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 truyềnthông TCP/IP để thực hiện các ứng dụng SA, các tham chiếu này vẫn phù hợp khigiao diện truyền thông TCP/IP được nâng cấp

Về cơ bản các thiết bị trong TBA được chia thành 2 loại: Thiết bị nhất thứ vàthiết bị nhị thứ Các thiết bị nhất thứ bao gồm: máy biến áp, máy cắt, dao cách ly.Các thiết bị nhị thứ bao gồm: thiết bị bảo vệ, điều khiển, đo lường và các thiết bịthông tin Theo tiêu chuẩn IEC 61850, các thiết bị nhị thứ của TBA được sắp xếptheo 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 nhị thứ trạm được thểhiện ở Hình 3.5 Giao diện người máy (Human Machine Interface - HMI) và thiết bịtruyền thông (Communication Unit - ComU) thuộc về mức trạm Các thiết bị ở mứctrạm 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 thốngStation Bus, được định nghĩa trong IEC61850-8-1 HMI là nhóm các phần mềmSCADA 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 dụngcông cụ OPC Server để trao đổi dữ liệu giữa HMI với các thiết bị IEDs OPC (OLEfor Process Control – Đối tượng nhúng cho điều khiển quá trình), là một công cụ chophép biên dịch dữ liệu của các đối tượng điều khiển (IEDs, RTUs) thông qua cáchàm của hệ điều hành Thiết bị ComU có thể là một thiết bị định tuyến (Router) đểkết nối với mạng diện rộng (WAN) của trung tâm điều khiển, hoặc là một thiết bịGateway/Converter chuyển đổi giao thức thường gặp như IEC61850/IEC60870-5-

101

Hình 3.5: 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 mứcquá trình truyền thông với nhau qua hệ thống bus quá trình (Process Bus) Cơ chếtrao đổi thông tin trên bus quá trình được thực hiện dưới dạng bản tin sự kiện hướngđối tượng trạm thống nhất (Generic Object-Oriented Substation Event - GOOSEMeasage), được định nghĩa trong IEC 61850-9-1 & 9-2 Trên hệ thống bus quá trìnhcác bản tin GOOSE được trao đổi giữa các rơle hoặc giữa các rơle với thiết bị trộntín hiệu (Merging Unit) Thiết bị trộn tín hiệu là một IED, nó cho phép chuyển đổicác 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 hệthống bus quá trình qua giao thức Với tốc độ xử lý cao sẽ cho phép các IEDs có thểthực hiện chức năng liên động, ghi nhiễu chéo, bảo vệ chống hư hỏng máy cắt, kiểmtra hướng công suất, so sánh dòng điện vi sai và nhiều ứng dụng phức tạp khác Cơchế xử lý thông tin dạng GOOSE giữa các IEDs đã làm thay đổi cơ bản cách thựcthiết kế nhị thứ của trạm, giảm tối thiểu dây tín hiệu, nâng cao khả năng thực hiệncác ứng dụng bảo vệ và điều khiển phân tán

Xây dựng cấu hình phần mềm cho các ứng dụng tự động hoá trạm được thựchiện bằng ngôn ngữ cấu hình trạm (Substation Configuration Language - SCL).Ngôn ngữ SCL dựa trên cấu trúc ngôn ngữ đánh dấu có thể mở rộng (eXtensibleMarkup Language – XML), được định nghĩa trong IEC 61850-6 Việc sử dụng ngônngữ SCL với mô hình dữ liệu đối tượng của IEC 61850 cho phép sử dụng nhiềucông cụ khác nhau của nhiều nhà sản xuất để biên dịch và hiểu các thông tin đượcchứa đựng trong bất kỳ IEDs Điều này cho phép trong quá trình trao đổi dữ liệugiữa các IEDs sẽ tránh được tình trạng không hiểu nhau, thuận lợi trong việc tíchhợp hệ thống từ nhiều nhà sản xuất Hiện nay có nhiều công cụ để soạn thảo và biêndịch mã lệnh SCL và Visual SCL File cấu hình SCL sẽ được dùng chung cho cácứng dụng tự 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; ICDfiles (IED Capability Description) mô tả khả năng của các IEDs; CID (ConfiguredIED Description) mô tả cấu hình các IED Việc xây dựng mô hình dữ liệu bằng ngônngữ SCL là một khâu quan trọng trong quá trình thiết kế tự động hoá trạm trên nềntảng của giao thức IEC 61850

sở đặc điểm thiết bị và phương thức đo lường, điều khiển, bảo vệ của trạm

3.3 Giao thức IEC 60870

3.3.1 Giới thiệu IEC 60870

IEC 60870 đề cập đến một tập hợp các tiêu chuẩn của Ủy Ban Kỹ thuật Điệnquốc tế, để cung cấp một tiêu chuẩn mở cho việc truyền tải của SCADA việc kiểmsoát và thông tin từ xa

Các tiêu chuẩn cung cấp một chi tiết mô tả chức năng cho các thiết bị và điềukhiển từ xa cho các hệ thống kiểm tra, kiểm soát các quy trình phổ biến rộng rãi, nóicách khác là cho hệ thống SCADA Các tiêu chuẩn dành cho ứng dụng trong cácngành công nghiệp điện và có các đối tượng dữ liệu được đặc biệt dành cho các ứngdụng, tuy nhiên nó không phải là giới hạn các ứng dụng chẳng hạn như các đốitượng dữ liệu này được áp dụng chung cho các ứng dụng SCADA trong các ngànhcông nghiệp

Khi bộ tiêu chuẩn đầu tiên IEC 60870-5 đã được hoàn thành vào năm 1995với các ấn phẩm của IEC 60870-5-101, nó chỉ truyền tương đối băng thông thấp dãybit các mạch truyền thông Với việc sử dụng ngày càng phổ biến rộng rãi của mạnglưới công nghệ thông tin liên lạc, IEC 60870-5 bây giờ cũng cung cấp cho các thôngtin liên lạc qua mạng lưới bằng cách sử dụng giao thức TCP/IP Điều này tương tự

sự phát triển DNP3

3.3.2 Các tính năng của IEC 60870 – 5

Các tính năng chính của IEC 60870 – 5 được mô tả dưới đề mục liệt kê dưới đây

3.3.3 Các tiêu chuẩn

Các tiêu chuẩn IEC 60870 được xây dựng trong phương thức phân tầng, baogồm sáu thành phần cộng thêm một số các tiêu chuẩn đi kèm Mỗi một phần sau đó

sẽ gồm một số phần Ngoài những phần chính, có bốn phần “đi theo” các tiêu chuẩn

để cung cấp các thông tin chi tiết rõ ràng của các tiêu chuẩn cho một lĩnh vực ứngdụng Việc đi kèm theo các tiêu chuẩn mở rộng được cung cấp bởi chính các phầncủa tiêu chuẩn bằng cách thêm thông tin cụ thể cho các đối tượng lĩnh vực ứng dụng

Cơ cấu của các tiêu chuẩn IEC 60870 được minh hoạ như hình dưới Điều này chothấy phần chính của các tiêu chuẩn, cộng thêm các phần đi kèm và các tiêu chuẩn cóliên quan với các giao thức truyền thông

Dưới cùng của hình, các tiêu chuẩn đi theo IEC 60870-5-101 có thể được nhìn thấy Bốn tiêu chuẩn đi theo IEC 60870-5-104 cũng có tầm quan trọng đặc biệt trong việc tìm hiểu các tiêu chuẩn được sử dụng như hiện nay, bởi vì nó xác định cácphương tiện truyền thông của thông điệp ứng dụng IEC 60870-5 trên mạng Tiêu đềđầy đủ là ‘Mạng truy cập sử dụng sơ lược tiêu chuẩn vận chuyển’ được giới thiệu đến các việc sử dụng TCP/IP cho các phương tiện truyền thông và mạng lưới giao

Cân bằng truyền thông là hiện hữu, nhưng đây là giới hạn cho các liên kếtđiểm – đến – điểm mà thôi Vì vậy trong khi T101 có thể hỗ trợ thông điệp không

IEC 60870 Thiết bị và hệ thống điều khiển từ xa

Phần 5 Các giao thức truyền thông

5 – 1 Các giao thức truyền thông

5 – 2 Các thủ tục truyền thông liên kết

5 – 3 Cấu trúc của dữ liệu ứng dụng

5 – 4 Định nghĩa của các phần thông tin ứng dụng

5 – 5 Các chức năng ứng dụng cơ bản

5 – 101 Các nhiệm vụ truyền thông cơ bản

5 – 102 Truyền thông của tổng hợp số

5 – 103 Các thiết bị bảo vệ

5 – 104 Mạng truy cập

Các tiêu chuẩn đi theo Các phần của phần 5

mong muốn từ một máy tớ, nhưng nó không thể làm như vậy cho một Topology, vàphải sử dụng một chương trình hỏi vòng tuần hoàn đến các trạm thứ cấp.

Truyền thông cân bằng – giới hạn cho các liên kết điểm – đến – điểm:

–Có thể bắt đầu truyền thông

–Đạt hiệu quả tốt hơn về cách sử dụng hệ thống truyền thông

–Sự xung đột các chương trình như hai trạm có thể truyền trùng thôngđiệp Tránh sự xung đột và đòi hỏi lập lại, tuy nhiên chỉ dành cho các liênkết điểm – đến – điểm T101

Truyền thông không cân bằng – phù hợp với đa điểm:

–Chỉ có máy chủ mới có thể gửi các tiểu khung thông điệp

–Tránh các xung đột là không được đòi hỏi

–Chức năng lớp liên kết dữ liệu thứ cấp là đơn giản

Theo IEC 60870-5 để cho bất kỳ hai trạm giao tiếp với nhau, một là trạmđang kiểm soát, và kia là trạm đã kiểm soát Ngoài ra còn có một “điều hành giámsát” và “điều hành kiểm soát” Vì vậy, theo dõi các dữ liệu như các giá trị tín hiệu số

từ các lĩnh vực được gửi đi trong điều hành giám sát, và lệnh được gửi đi trong sựđiều hành kiểm soát Nếu một trạm theo dõi dữ liệu và gửi lệnh, đó như là một hànhđộng kiểm soát và một trạm kiểm soát Điều này được định nghĩa là chế độ hoạtđộng đôi

3.3.5 Cấu trúc thông điệp

Cấu trúc thông điệp theo IEC 60870-5-101 là được hình thành bởi một lớpkhung liên kết dữ liệu mang địa chỉ liên kết và thông tin kiểm soát Mỗi khung có

dụng, hoặc ASDU Hình dưới hiển thị các liên kết dữliệu khung cấu trúc, và cấu trúc của lớp ứng dụngASDU

ASDU

Bắt đầu 0 x 68

LLBắt đầu 0 x 68

CAA

Liên kết dữ liệu

người dùng

Khung độ dài biến

L

Hình 3.7: Cấu trúc thông điệp IEC 60870 – 5 – 101

Trong trường hợp dữ liệu người dùng không phải là bắt buộc trong cáckhung, hoặc một khung thời gian cố định, hoặc một ký tự duy nhất có thể được sửdụng Điều này cung cấp hiệu quả sử dụng băng thông thông tin liên lạc

3.3.6 Ghi địa chỉ

Theo IEC 60870-5-101 ghi địa chỉ tại liên kết và tại lớp ứng dụng Field địachỉ liên kết có thể có 1 hoặc 2 octet cho tình trạng không cân bằng, và 0, 1 hoặc 2octet cho cân bằng truyền thông Như cân bằng truyền thông là điểm – đến – điểmliên kết địa chỉ là dư thừa, nhưng có thể được dùng để bảo mật Các địa chỉ liên kết

FF hay FFFF được định nghĩa là để chỉ định một địa chỉ, và có thể được sử dụng địachỉ tất cả các trạm tại cấp liên kết

Ở cấp độ ứng dụng, các ASDU chứa 1 hoặc 2 octet địa chỉ phổ biến Điều nàyđược định nghĩa như là địa chỉ của trạm kiểm tra, kiểm soát trong phần “điều hànhkiểm soát”, và các địa chỉ kiểm soát của trạm trong “điều hành giám sát” Địa chỉphổ biến của ASDU kết hợp với các địa chỉ thông tin đối tượng chứa trong các dữliệu riêng của mình để kết hợp làm thành địa chỉ duy nhất cho mỗi yếu tố dữ liệu

Đơn vị dữliệu nhậnbiết

Loại IDHạn định cấu trúc biếnTruyền thôngĐịa chỉ chung của ASDUThông tin

đối tượng1

Thông tin địa chỉ đối tượngCác thông tin thiết bịNhãn thời gianThông tin

đối tượng2

Thông tin địa chỉ đối tượngCác thông tin thiết bịNhãn thời gian

Như trong DNP, có thể có nhiều hơn một địa chỉ logic hay địa chỉ thôngthường cho mỗi thiết bị Như các cấp liên kết, các địa chỉ FF hay FFFF được địnhnghĩa như là một địa chỉ quảng bá Do đó để gửi một thông điệp quảng bá thì cần địachỉ này trong cả hai loại dữ liệu liên kết và các field địa chỉ ứng dụng

Tùy chọn cho mỗi lần trên một hệ thống cơ sở, địa chỉ khởi đầu cũng có thểđược tiến hành trong vòng ASDU

Những địa chỉ thông tin đối tượng là 1 đến 3 octet dài, và có thể được cungcấp chỉ một lần trong một ASDU, hoặc các thông tin riêng biệt cho từng đối tượngtrong một ASDU Điều này cho phép truyền tải hiệu quả khối thông tin liên tiếp

chuyển và mạng lưới giao thức

TCP / IP vận chuyển và bộ mạng lướiMạng

Liên kết

Vật lý

T101 còn cung cấp đầy đủ các định nghĩa của các chùm giao thức cho tới cấpvật lý, điều này là không được cung cấp dưới T104 như hiện tại và đa dạng vật lý vàlớp liên kết hoạt động được chọn lọc

Nói chung, còn tồn tại một số hoạt động hoàn toàn khác nhau của việc vậnchuyển thông điệp, các hoạt động của giao thức ở cấp độ ứng dụng và người sử dụng

là không thay đổi Một số trường hợp cụ thể ngoại lệ là trong lĩnh vực thời gian đồng

bộ hóa, và trong các thông điệp quảng bá

3.3.8 Đối tượng ứng dụng dữ liệu

IEC 60870-5 đã có thông tin về một bộ các thông tin về các đối tượng là phùhợp với cả hai là các ứng dụng chung SCADA, và các ứng dụng thiết bị điện hệthống riêng Mỗi kiểu dữ liệu khác nhau có một số nhận dạng loại hình duy nhất Chỉ

có một kiểu dữ liệu được bao gồm trong bất kỳ ASDU nào, và như minh họa tronghình 6.6 là loại xác định là đầu tiên trong các ASDU

Những thông tin các loại đối tượng được nhóm lại theo hướng và theo loạihình thông tin, như sau:

Bảng 3.3: Các loại nhóm thông tin đối tượng

Nhóm Ví dụ về Điều hành giám soát Ví dụ về Điều hành kiểm soátThông tin quá

trình

Một giá trị đo lường, như 1bithay một tín hiệu tương tự

Một lệnh, như đến thiết lập 1bit hoặc 1 điểm giá trịThông tin hệ

thống Kết thúc Câu lệnh hỏi, câu lệnh thiếtlập lại quá trình

Fiel vận chuyển Đọc file dữ liệu, viết một file cấu hình

3.3.9 Khả năng tương kết

Xác định tất cả các chế độ hoạt động khác nhau, tùy chọn cấu hình, ASDUs,nguyên nhân truyền tải, và các thông tin khác đó là điều quan trọng trong việc bảođảm tính tương thích

IEC 60870 – 5 có một cấu trúc đơn giản trong bảng của các loại dữ liệu vàcác tùy chọn địa chỉ dữ liệu, phương pháp tiếp cận này là tương đối đơn giản Nó làcần thiết để kiểm tra tính tương thích của các trạm kiểm soát triển khai với các trạm

đã triển khai kiểm soát và đảm bảo rằng tất cả các loại dữ liệu cần thiết được hỗ trợ

3.3.10 Các mô hình tham khảo EPA và OSI

Cũng như DNP3, IEC 60870-5 được dựa trên ba lớp tăng cường hiệu suất của

mô hình kiến trúc EPA cho các dữ liệu thông tin liên lạc Những mô hình được mô

tả chi tiết hiển thị mô hình EPA là một hình thức đơn giản của mô hình OSI bảy lớp

để cung cấp hiệu suất tối ưu cho các ứng dụng truyền thông

Ứng dụngDiễn giảiPhiênVận chuyểnMạngLiên kết dữ liệuVật lý

Hình 3.8: Mối quan hệ của mô hình EPA và mô hình OSI 7 lớp

Cấu trúc mô hình EPA phù hợp cho một hệ điều hành liên tục hoạt động trênmột mạng Một trong những lớp thường được thêm vào phần trên của mô hình cơbản EPA được xác định là lớp người sử dụng Điều này bao gồm các chức năng hoặccác quy trình được xác định để cung cấp cho hoạt động của hệ thống điều khiển từ

xa Đây là những yêu cầu được xác định để cung cấp cho tương kết giữa các trangthiết bị mà sẽ cho kết quả một cách đầy đủ cho hệ thống điều khiển từ xa

Phương thức sử dụngỨng dụng

Liên kết dữ liệuVật lýKiến trúc nâng cao hiệu suất

Mô hình 3 lớp và cộng thêmphương thức sử dụng

Mô hình OSI 7 lớp

Đối với xác định đầu tiên theo tiêu chuẩn IEC 60870-5-101 hoặc T101, bốnlớp mô hình cung cấp một cách chính xác đại diện của các kiến trúc các giao thức.Trong trường hợp các phiên bản mạng IEC 60870-5-104, hoặc T104, bổ sung cáclớp mô hình OSI để cung cấp cho vận chuyển các thông điệp trên mạng bằng cách

sử dụng mạng lưới giao thức chuẩn Những cái này là lớp vận chuyển và lớp mạngtương ứng với việc sử dụng TCP và IP Hai kiến trúc này sẽ được hiển thị trong hìnhdưới đây

Hình 3.9: Cấu trúc của T101 và T104

3.3.11 Lựa chọn từ các tiêu chuẩn

Bảng 3.4 cho thấy các lựa chọn khác nhau của bộ tiêu chuẩn IEC 60870–5tương ứng với các lớp của mô hình

Bảng 3.4: Các lựa chọn khác nhau của IEC 60870

Liên kết IEC 60870 – 5 – 2IEC 60870 – 5 – 1 Các thủ tục vận chuyểnĐịnh dạng khung

Phương thức sử dụngỨng dụng

Vận chuyểnMạngLiên kết dữ liệuVật lýIEC 60870 – 5 – 101

Không mạng lưới IEC 60870 – 5 – 104Mạng lưới

Bảng 3.5: Các lựa chọn các tiêu chuẩn cho IEC 60870 – 5 – 104

DNP3 được xây dựng như một giao thức độc quyền bởi Harris ControlsDivision, lúc đầu được sử dụng trong công nghiệp điện công cộng Tháng 10/1993,DNP3 được chuyển quyền sở hữu về cho DNP3 User Group làm cho DNP3 có thểđược sử dụng bởi các nhà sản xuất khác Thông qua DNP3 User Group, các cá nhânhoặc công ty có thể có được các tiêu chuẩn đầy đủ của giao thức bằng cách gia nhậpnhóm

DNP3 được thiết kế đặc biệt dùng cho các ứng dụng SCADA (SupervisoryControl and Data Acquisition), bao gồm thu thập thông tin và gửi lệnh điều khiểngiữa các thiết bị máy tính rời rạc về phần cứng Nó được thiết kế để truyền mộtlượng tương đối nhỏ các gói dữ liệu, các thông điệp đòi hỏi phải đến đích theo mộttrình tự tính toán Ở khía cạnh này, nó khác với các giao thức đa chức năng, nhưFTP là một phần của chồng giao thức TCP/IP được dùng cho gửi các file khá lớn,nhưng thông thường không thích hợp cho hệ thống SCADA

Một tính năng chủ chốt của các giao thức kết nối DNP3 là một tiêu chuẩn giaothức kết nối mở và một trong số đó được thông qua bởi một số lượng đáng kể cácnhà sản xuất thiết bị Lợi ích của một tiêu chuẩn mở là nó cung cấp cho các trangthiết bị khác nhau từ các nhà sản xuất khác nhau

Tiêu chuẩn giao thức kết nối DNP3

Tiêu chuẩn giao thức kết nối DNP3 xác định một vài khía cạnh của máy chủSCADA – RTU / IED truyền thông tin:

* Định dạng khung và tín hiệu (thông điệp)

Lợi ích của DNP3

Dưới đây là những danh sách giới thiệu các tính năng của DNP3 cung cấp lợiích cho người sử dụng:

–Tiêu chuẩn mở

–Được hỗ trợ bởi Nhóm người sử dụng DNP3

–Một giao thức kết nối được hỗ trợ bởi một số lớn và số lượng ngày càng tăng củacác thiết bị của nhà sản xuất

–Phân tầng kết cấu thích hợp IEC để nâng cao hiệu suất của kiến trúc mô hình

–Tối ưu hóa cho đáng tin cậy và hiệu quả trong sự truyền thông SCADA

–Được hỗ trợ bởi việc triển khai thực hiện kiểm tra toàn diện các tiêu chuẩn

–Xác định các giao thức kết nối phụ cho các ứng dụng cụ thể

–Khả năng lựa chọn từ nhiều nhà cung cấp cho các hệ thống mở rộng và sửa đổitrong tương lai

Lợi ích dài hạn

–Dễ dàng mở rộng hệ thống–Tuổi thọ sản phẩm kéo dài–Xem thêm giá trị gia tăng các sản phẩm từ các nhà sản xuất–Nhanh hơn thông qua công nghệ mới

–Cho phép topology ngang hàng (peer – peer topology) chủ - tớ

–Cho phép nhiều chủ topology

–Cung cấp cho người sử dụng các đối tượng định nghĩa

–Cung cấp các báo cáo ngoại lệ / sự kiện mà không cómáy chủ

–Cung cấp hồi đáp “ thay đổi dữ liệu”

–Các thông điệp quảng bá

–Bảo đảm cấu hình / tập tin chuyển đi

–Chỉ cho hơn 65000 thiết bị trên một liên kết

–Cung cấp thời gian đồng bộ hóa và thời gian đóng gói sự kiện

Bảng 3.6: Một số nhà sản xuất SCADA và RTUs hỗ trợ DNP3

3.4.2 Cấu trúc liên kết hệ thống

DNP3 hổ trợ thông tin liên lạc giữa nhiều tổ hợp – máy tớ, peer - to - peer, tổhợp – máy chủ, nó hỗ trợ các chế độ hoạt động của việc thăm dò, và hoạt động tĩnh.Gần đây nó được gọi là báo cáo của sự ngoại lệ, điều này là do các máy chủ có thểdựa vào trạm đầu cuối để gửi một “sự đáp ứng tự nguyện” khi có sự thay đổi cầnphải được báo cáo Chế độ này cung cấp cho việc sử dụng tốt hơn năng lực hệ thốngthông tin liên lạc

Trong một hệ thống tĩnh, thường là một chu kỳ nên việc thăm dò vẫn được sửdụng, để bảo vệ chống lại các thông tin liên lạc hỏng không được tìm thấy Nếu điềunày không được thực hiện, máy chủ sẽ không có cách nào để phát hiện những saibiệt của các thông tin liên lạc với trạm đầu cuối Nó sẽ cho rằng không có gì thayđổi

Khả năng hỗ trợ peer – peer và hoạt động tĩnh, đòi hỏi các trạm không đượcxem là máy chủ có thể giao tiếp Đôi khi gọi tắt là “cân bằng” thông tin liên lạc Mặc

dù khả năng của máy không phải máy chủ nắm vững thông tin liên lạc để bắt đầutrong DNP3 nhưng chỉ duy nhất máy chủ có thể yêu cầu thông tin liên lạc hoặc pháthành lệnh tới các trạm Vì vậy, mặc dù điều khoản được cân bằng sẽ được áp dụngcho các hệ thống thông tin liên lạc, các vấn đề khác giữa máy chủ và máy tớ vẫn còncần thiết Đôi khi các điều khoản giữa máy chủ và trạm đầu cuối vẫn được sủ dụng

để biết thêm cách phản ánh thích hợp khả năng của hệ thống

Kiến trúc có thể liên quan đến việc sử dụng các bộ biến đổi giao thức kết nốivào một hoặc nhiều thiết bị sử dụng một giao thức kết nối truyền thông khác nhau.Một công cụ biến đổi giao thức kết nối có thể được sử dụng trong trường hợp mộtcấu trúc liên kết phân cấp, các trạm đầu cuối chỉ sử dụng các thiết bị DNP3 và máychủ SCADA có thể sử dụng một hệ thống truyền thông khác

Trong trường hợp các thiết bị DNP3 với một cổng truy nhập mạng, DNP3 làtrong vòng khép kín gói thông tin TCP / IP Ethernet Mặc dù hiện nay có thêm phíliên quan đến các gói thông tin, nó cung cấp một phương tiện hiệu quả của việc sửdụng mạng lưới của khu vực hay khu vực rộng để phục vụ cho thông tin liên lạcSCADA Trong một số trường hợp, điều này có thể cho phép mở rộng hiệu quả của

hệ thống SCADA bằng cách sử dụng mạng lưới hiện có của một công ty

–Truyền dữ liệu bảo mật cao

–Bị ngắt và gửi báo cáo bởi sự hoạt động ngoại lệ

–Tin nhắn không theo yêu cầu (giới hạn trong T101)

–Đối tượng cơ bản dựa trên các định nghĩa dữ liệu thích hợp cho SCADA–Thời gian đồng bộ hóa

–Thời gian đóng dấu sự kiện

–T101 sử dụng địa chỉ liên kết và địa chỉ ứng dụng

–T101 có phạm vi các điểm địa chỉ lớn hơn, lên đến 3 byte cho 16 777 216địa chỉ

–DNP3 chỉ sử dụng các địa chỉ liên kết, không có lớp ứng dụng địa chỉ

–DNP3 liên kết mang cả hai mã nguồn và các địa chỉ điểm đến

Nói chung, T101 có tính linh hoạt cao hơn trong hệ thống địa chỉ, bao gồmliên kết dữ liệu và địa chỉ lớp ứng dụng, và thông qua việc sử dụng các địa chỉ biếnđổi Cái lợi ích của biến đổi là cho phép tiết kiệm băng thông truyền thông tin khichỉ có số lượng nhỏ các địa chỉ được yêu cầu

b.Liên kết dữ liệu truyền thông

–T101 sử dụng cân bằng và không cân bằng (giới hạn chỉ với điểm – điểm)–T101 không hỗ trợ tin nhắn không mong muốn trên mạng truyền thông –DNP3 chỉ sử dụng cân bằng truyền thông

Cả DNP3 và IEC 60870-5-101 đều hỗ trợ cân bằng hoặc peer – peer, tuynhiên, cân bằng truyền thông của IEC có giới hạn đối với các dạng điểm – đến –điểm Một ví dụ: nơi có một số lượng lớn các trạm ngoài kết nối đến một giới hạnbăng thông như là một kênh radio liên kết VHF Trong trường hợp hỏi vòng cho các

dữ liệu có thể yêu cầu một băng thông không chấp nhận, thì hỗ trợ của DNP cho

mạng cân bằng truyền thông sẽ là một lợi thế trong việc thực hiện báo cáo của một

hệ thống bên ngoài

c Định dạng khung

–T101 sử dụng khung FT1.2; 8-bit kiểm tra tổng, chiều dài lên đến 255 byte –Các khung T101 được bố trí trước và biến đổi chiều dài

–DNP3 sử dụng khung FT3; 16 bit, CRC, chiều dài lên đến 255 byte

–DNP3 chỉ sử dụng biến đổi chiều dài

Khi đã cố định chiều dài khung tùy chọn được sử dụng bởi T101, thông điệpđược tạo ra rất ngắn và đơn giản so với DNP Điều này làm giảm chi phí truyềnthông đáng kể

d Ứng dụng các chức năng và các đối tượng dữ liệu

Ứng dụng các chức năng:

–T101 cho phép kiểm soát duy nhất một điểm trong một thông điệp

–T101 sử dụng ký tự riêng lẻ ghi nhận ứng dụng

–DNP3 cho phép kiểm soát nhiều điểm trong một thông điệp

Các đối tượng dữ liệu:

–T101 cho phép một đối tượng dữ liệu cho mỗi thông điệp

–T101 kết hợp chức năng và các loại dữ liệu trong đoạn mã

–T101 đối tượng dữ liệu theo định hướng đến trạm truyền thông

–DNP3 cho phép nhiều đối tượng dữ liệu trong một thông điệp

–DNP3 sử dụng các đoạn mã chức năng riêng biệt

–DNP3 có một mã chức năng cho mỗi thông điệp, áp dụng cho tất cả các đốitượng dữ liệu trong thông điệp

Có sự khác nhau giữa T101 và DNP3 trong các ứng dụng các chức năng vàcác đối tượng dữ liệu được hỗ trợ Việc tách các chức năng và các đối tượng dữ liệucung cấp trong DNP3 có tính linh hoạt cao hơn, nhưng cũng phức tạp hơn

e Bảo mật

–T101 dựa trên liên kết dữ liệu xác nhận trước khi đưa ra các sự kiện

–DNP3 đòi hỏi ứng dụng phải xác nhận trước khi đưa ra các sự kiện

–Kiểm tra lỗi là mạnh mẽ hơn trong DNP3

–Cả hai đều phải chọn trước khi hoạt động

Trong khi đó trường hợp khả năng phát hiện lỗi của DNP là mạnh hơn so vớiT101, phụ thuộc vào tỷ lệ bit lỗi, trên các đường dây truyền thông cũng như về độdài của thông điệp Bởi vì các thông điệp T101 có xu hướng ngắn hơn thông điệpDNP3, và toàn bộ hệ thống có thể bị ảnh hưởng không đáng kể

f Sự tương kết (Khả năng phối hợp)

–T101 không có các thủ tục hay chính quyền cấp giấy chứng nhận chính thức–Có những công ty cung cấp thử nghiệm cho T101

–Không có chức năng ứng dụng riêng biệt các mã số

–Dữ liệu các đối tượng là đơn giản, không có các biến thể như trong DNP3 –Chương trình điểm địa chỉ là đơn giản hơn nhiều so với DNP3

–Có thể được tạo cấu hình để có chiều dài khung cố định

–Có thể được tạo cấu hình để sử dụng liên kết không cân bằng lớp vậnchuyển

–Việc này đơn giản hoá việc truyền thông như là để tránh sự xung đột

–Sử dụng byte đơn vận chuyển ACK trên lớp liên kết dữ liệu

–Định dạng FT1.2 là đơn giản hơn (nhưng cho ít lỗi bảo vệ)

–Không có lớp vận chuyển và chỉ có một loại dữ liệu cho mỗi thông điệp đơngiản hoá việc phân tích cú pháp