Nghiên cứu hệ thống scada và các ứng dụng của thông tin trong đo lường điều khiển hệ thống điện

CHƯƠNG 1 THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Vấn đề khai thác và sử dụng thông tin trong hệ thống điện 1.1.1 Tầm quan trọng của thông tin trong hệ thống điện

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG SCADA VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA THÔNG TIN TRONG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG SCADA VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA THÔNG TIN TRONG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

Sự hoạt động và phát triển của ngành Điện lực có liên quan và ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác của nền kinh tế quốc dân Vì vậy mà việc xây dựng một hệ thống điện vận hành an toàn, ổn định luôn là mục tiêu của mọi công ty điện lực cũng như của toàn bộ EVN Đóng góp vào mục tiêu đó không thể không nhắc tới việc tạo dựng hệ thống mạng thông tin điện lực nói chung và mạng thông tin trong điều độ nói riêng đủ mạnh, đủ hiện đại

Luận văn này sẽ đi sâu “Nghiên cứu hệ thống SCADA và các ứng dụng của thông tin trong đo lường điều khiển hệ thống điện”

Trong quá trình thực hiện luận văn, cùng với sự nỗ lực của bản thân, tôi vô cùng biết ơn sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè, cơ quan làm việc và các Trung tâm Điều độ

Xin được đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn, GS.TS Lã Văn Út, bộ môn Hệ thống điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Xin được cảm ơn Trung tâm Điều độ-Thông tin công ty Điện lực Hà Nội đã giúp đỡ tôi cả về thời gian và điều kiện làm việc thực tế trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi cũng muốn cảm ơn Trung tâm đào tạo sau đại học-Đại học Bách Khoa

Hà Nội vì sự giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt khoá học này

Cuối cùng, tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, các chuyên gia trong lĩnh vực SCADA và các bạn bè đồng nghiệp

Hà Nội 11/2005 Trần Lê Phương

Danh mục các bảng biểu ix

Chương 1 Thông tin trong hệ thống điện và những khái niệm cơ bản 1

1.1 Vấn đề khai thác và sử dụng thông tin trong hệ thống điện 1

2.2.1 Chức năng của hệ thống thông tin viễn thông điện lực 35

2.4 Kết luận 49

Chương 3 SCADA và các ứng dụng quản lý điều khiển trong HTĐ 51

3.3.4 Hệ thống tự động phân phối Distribution Automation 57

3.7.4 Chức năng giám sát và báo cáo (Monitoring and event

Chương 4 Phân cấp thông tin trong điều độ HTĐ Việt Nam và thực

trạng lưới điện khu vực Hà Nội

79

4.3.2 Hệ thống tự động hóa trạm biến áp (Substation

III ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA/DMS CHO ĐIỀU

ĐỘ HN

88

4.7.4 Trung tâm điều khiển 90

trạm

Phụ lục Giới thiệu hệ thống SCADA/DMS của Trung tâm Điều độ

Điện lực Hà Nội

ix

DC District Control Center Trung tâm điều khiển cấp điện lực

ICCP Inter-Control Center Communication Protocol

IEDs Intelligent Electronic Devices Thiết bị điện tử thông minh

ISO International Organization for Standardization

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

Bảng 2.2 So sánh các phương tiện vô tuyến 31

Bảng 4.1 Danh sách các trạm được tự động hóa 83

Bảng 4.2 Danh sách các trạm 110kV cấp điện cho Hà Nội 85

Bảng 4.3 Danh sách các tuyến đường dây 110kV cấp điện cho Hà Nội 87

Bảng 5.2 Dự tính số lượng đầu vào, đầu ra của RTU tại các trạm 108

Bảng 5.3 Danh sách các trạm đã đưa vào vận hành (theo trình tự thời gian) 113

Hình 1.2 Truyền một chiều, hai chiều gián đoạn và hai chiều toàn phần 13

Hình 2.4 Nguyên lý phản xạ toàn phần của ánh sáng 26

Hình 2.5 Đường đi của tia sáng và biến thiên chiết suất của các loại cáp quang 26

Hình 2.6 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang 28

Hình 2.7 Một ví dụ về các kênh thông tin vô tuyến trong hệ thống điện 29

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống Power link 34

Hình 2.12 Hàng loạt các tiêu chuẩn thông tin liên lạc được sử dụng trong trạm 45

Hình 2.13 Bên ngoài trạm, một loạt các chuẩn thông tin liên lạc được sử dụng 46

Hình 2.14 Xu hướng có thể có trong tương lai 49

Hình 3.1 Chu trình đo lường, thông tin và vận hành hệ thống điện 52

Hình 3.2 Khái quát về hệ thống điều khiển từ xa 53

Hình 3.3 Cấu trúc phân cấp của các trung tâm điều khiển 54

Hình 3.9 Hệ thống SCADA được cấu trúc theo kiểu điểm - điểm 67

Hình 3.10 Hệ thống SCADA bao gồm các RTU kết nối nối tiếp 68

Hình 3.11 Hệ thống SCADA bao gồm các RTU kết nối kiểu sao - nối tiếp 68

Hình 3.12 Hệ thống SCADA bao gồm các RTU kết nối kiểu điểm - nhiều điểm 69

Hình 3.13 Ví dụ các kênh liên lạc trong hệ thống SCADA 70

Hình 3.17 Cơ sở dữ liệu phục vụ cho tính toán 75

Hình 4.1 Phân cấp thông tin dữ liệu giữa các cấp điều độ 80

Hình 4.2 Cấu trúc điển hình của một trạm được tự động hóa 82

Hình 4.3 Sơ đồ lưới điện 110kV khu vực Hà Nội 86

Hình 5.1 Cấu hình phần cứng trung tâm hệ thống SCADA/DMS T.t Đđ HN 97

Hình 5.2 Sơ đồ tổ chức các kênh truyền dẫn SCADA 111

1 Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp NXB Khoa học và

4 VS.GS, Trần Đình Long: Tự động hoá Hệ thống điện Đại học Bách

Khoa Hà Nội, Hà Nội 2004

5 Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Trung: Các vấn đề về duy trì và

khai thác số liệu SCADA phục vụ vận hành, nghiên cứu hệ thống Hội

nghị vận hành hệ thống SCADA, 12/2004

6 Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia: Công nghệ mới trong điều

khiển hệ thống điện Hà Nội 11/2003

Tiếng Anh

7 IPG, International Power Generation: Power line carrier for HV

networks Arpil 2004

8 ABB, Power Technologies: Network Manager Basics August 2004

9 ABB, Industrial IT for Substation Automation: RTU560, Remote

Terminal Unit ABB Utilities, 2004

10 AGA American Gas Association, Report No.12: Cryptographic

Protection of SCADA Communications August 2004

11 David J.Dolezilek: Understanding, Predicting and Enhancing the

power system through equipment monitoring and analysis Schweitzer

Engineering Laboratories, Inc, 2000

CHƯƠNG 1 THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Vấn đề khai thác và sử dụng thông tin trong hệ thống điện

1.1.1 Tầm quan trọng của thông tin trong hệ thống điện

Trong hệ thống điện có rất nhiều các thiết bị đă gần đạt hoặc vượt quá ṿng đời làm việc của ḿnh và cũng có nhiều thiết bị với công nghệ mới cần được đưa vào hoạt động để đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao Để có thể nâng cao hiệu quả hoạt động của các thiết bị hiện có và cả những thiết bị mới cần phải nắm được hiện trạng của hệ thống điện cũng như phải dự đoán trước được định hướng phát triển trong tương lai Các thiết bị giám sát, điều khiển và bảo vệ tạo thành một hệ thống hoạt động phục vụ cho mục đích này

Trong những phần tiếp theo dưới đây, thuật ngữ "hệ thống điện" được dùng

để chỉ tập hợp các thiết bị cấu tạo nên hệ thống sản xuất, truyền tải và phân

phối điện năng, "I&C" (Instrumentation and Control) được dùng để chỉ cho tập hợp các thiết bị giám sát, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện C̣n "IEDs"

(Intelligent Electronic Devices) dùng để chỉ các thiết bị điện tử thông minh

vẫn thường được dùng trong các mục đích bảo vệ, đo lường và lưu giữ sự kiện

Theo cách truyền thống, thông tin về các thiết bị trong hệ thống điện được

thu nhập thông qua giám sát hay kiểm tra bằng tay (manual) hoặc thông qua

các sự cố Việc giám sát và chuẩn đoán các thiết bị của các công ty điện lực mới chỉ được xem xét một cách định ḱ mà rất ít khi được cập nhật thường

xuyên và tự động (automatic) Nếu được phát hiện có lỗi, các hoạt động bảo

dưỡng sẽ được ghi nhớ và tiến hành như là một phần của kế hoạch bảo dưỡng định kỳ tiếp theo Có nghĩa là các hoạt động bảo dưỡng đối với thiết bị được

quyết định và tiến hành một cách chủ quan mà không quan tâm tới t́nh trạng hiện tại cấp thiết của thiết bị Các hoạt động bảo dưỡng định kỳ như vậy cũng thường tiêu tốn một lượng ngân sách không nhỏ Đôi khi do nguồn thông tin thu nhập không chính xác, các hoạt động bảo dưỡng sẽ bị áp dụng sai mục đích

Trên thực tế, thông tin thu nhận được từ hệ thống tích hợp của các IEDs có

thể phục vụ cho rất nhiều mục đích của hệ thống điện trong đó có việc giám sát Dữ liệu phục vụ cho việc chuẩn đoán có thể là thông tin về t́nh trạng vận hành như giá trị đo lường, trạng thái hay các tham số của các thiết bị như t́nh trạng làm việc của máy cắt, máy biến áp Dữ liệu phục vụ cho phân tích hệ thống điện có thể là các bản ghi (ví dụ từ Rơle số) phản ánh phản ứng của hệ thống điện trước các sự cố, theo thời gian Chúng cũng bao gồm cả các báo

cáo sự kiện hay chuỗi các sự kiện (sequential events)

Nói tóm lại, năng lực vận hành hệ thống điện cũng như giá thành cho nó phụ thuộc vào khả năng thu nhận và xử lý nguồn thông tin một cách tức thời Thông tin đ̣i hỏi phải được cập nhật hết sức thường xuyên, 24 giờ trong ngày, bảy ngày trong tuần và phải có một hệ thống tích hợp của các IEDs để cung cấp nguồn dữ liệu

1.1.2 Tạo dựng cơ sở dữ liệu

Nhiều IEDs được chế tạo để phục vụ cho riêng cho việc giám sát và ghi lại thông tin của các thiết bị như các bộ đo nhiệt độ máy biến áp và môi trường, các thiết bị thống kê số lần nhảy của máy cắt Các IEDs khác được chế tạo với mục đích chính là đo lường các thông số hoạt động của hệ thống hay bảo

vệ cũng có thể tạo ra và cung cấp những nguồn cơ sở dữ liệu có giá trị Khi tích hợp chúng lại trong một hệ thống, các IEDs sẽ phát huy được sức mạnh

và tính kinh tế, giúp hợp lý hóa hệ thống I&C, tạo ra khả năng cho việc bảo

vệ, tự động hóa, điều khiển, giám sát và phân tích hệ thống điện Trong đó,

chức năng giám sát và (monitoring) và phân tích (analysis) hệ thống tạo ra 6

dạng cơ sở dữ liệu như sau:

Dữ liệu thiết bị

Dữ liệu về thiết bị là những giá trị đo lường định kỳ của các tham số của hệ thống điện và các trạng thái thu thập từ thiết bị để phục vụ giám sát một cách vật lý hệ thống điện, ví dụ như ḍng điện hay điện áp của máy biến áp Dữ liệu

về thiết bị bao gồm các trạng thái riêng biệt, điện áp một chiều và giá trị

analog đầu vào ở mức thấp (low-level)

Dữ liệu về thay đổi trạng thái

Dữ liệu về thay đổi trạng thái, gọi tắt là COS (Change-of-State), thường

được gán nhăn thời gian và được tạo ra khi có một sự thay đổi trạng thái xảy

ra trong hệ thống điện Dạng dữ liệu này thường được chuyển đến bộ ghi

chuỗi sự kiện dưới dạng một chuỗi các sự kiện SOE (sequence of events) Sở

dĩ được đặt tên như vậy v́ dữ liệu sẽ cung cấp các thông tin về việc ǵ đă xảy

ra, khi nào, và theo một thứ tự ra sao

Dữ liệu tính toán

IEDs căn cứ vào các dữ liệu của thiết bị để tính toán và cung cấp các giá trị

đo lường dưới dạng analog cho thấy trạng thái hoạt động của hệ thống điện Các dữ liệu đo lường được tính toán định ḱ này sẽ cho phép theo dơi một cách tức thời diễn biến của hệ thống Dữ liệu cũng có thể được tích lũy theo thời gian, can chỉnh và lọc Các giá trị tức thời và tích lũy này được lưu giữ bởi

các IEDs sẽ tạo ra một cơ sở dữ liệu quá khứ (Historical Data) phục vụ cho

nhiều mục đích sau này của hệ thống (ví dụ cung cấp đồ thị phụ tải và phụ tải đỉnh của một khu vực)

Dữ liệu chuẩn đoán

Hệ thống rơle bảo vệ và thiết bị giám sát IEDs lưu giữ các thông tin về quá tŕnh hoạt động của thiết bị trong hệ thống điện để phục vụ cho việc phân tích

Lấy ví dụ đó có thể là tổng số lần hoạt động, tần suất sử dụng, khoảng thời gian của hành động điều khiển, ḍng điện cắt của máy cắt Thêm nữa, các quá tŕnh tự kiểm tra trong nội tại IEDs cũng tạo ra nguồn thông tin về chính quá tŕnh hoạt động của IEDs

Dữ liệu chuẩn đoán này cung cấp những thông tin cần thiết về chất lượng của hệ thống điện và của cả hệ thống I&C Hơn nữa, với việc lưu giữ và sử dụng các dữ liệu chuẩn đoán, hệ thống I&C có thể ngay lập tức phát hiện nguyên nhân gây ra hư hỏng thiết bị, phát ra các cảnh báo hoặc đưa ra các hoạt động nhằm ngăn chặn những hư hỏng nặng hơn Điều này giúp cho việc nhanh chóng sửa chữa hoặc thay thế thiết bị nếu cần thiết

Dữ liệu quá khứ

Các IEDs lưu giữ các dữ liệu thu thập được để cung cấp thông tin về phản ứng của hệ thống điện theo thời gian và với những hiện tượng xảy ra Kiểu dữ liệu này bao gồm các thông tin mô tả hệ thống, các sự kiện, các bản ghi chuỗi

sự kiện SER (Sequential events recorder), chất lượng điện năng và thông tin

về bảo vệ rơle Một lệnh đồng bộ về thời gian từ trung tâm điều khiển sẽ cho phép các thiết bị trong hệ thống có cùng một giá trị thời gian, phục vụ cho

việc gán nhăn thời gian (time stamp)

Dữ liệu quá khứ cho phép các hoạt động phân tích hệ thống điện và cả hệ thống I&C để hợp lư hóa và nâng cao thiết kế hệ thống Thêm vào đó, việc các giá trị được lưu giữ một cách định kỳ c ̣n giúp cho việc định hướng và phát hiện các nguyên nhân hư hỏng thiết bị và các cấu h́nh không hợp lư

Thường th́ dữ liệu quá khứ lưu giữ dưới dạng các báo cáo và các báo cáo này có thể được kết nối đến các thiết bị khác một cách tự động hay theo yêu cầu để phục vụ cho các quá tŕnh từ xa Những báo cáo này có thể có dung lượng rất lớn và đ ̣i hỏi một khoảng thời gian không nhỏ để truyền tải

Dữ liệu cài đặt

Dữ liệu cài đặt được sử dụng để cấu h́nh cho phần mềm của các IEDs nhằm thực hiện các chức năng tối ưu hóa cho các chương tŕnh ứng dụng Thêm vào

đó, dữ liệu cài đặt sẽ thiết lập các ngưỡng cho các sự kiện và trạng thái khởi động cho các bản ghi sự kiện SER

Các thông tin cài đặt thường được tính toán và lưu trữ từ xa trước khi truyền đến các IEDs thông qua các kênh liên lạc Chúng thường cần phải được thể hiện và kết hợp với các dữ liệu khác tạo ra bởi các IEDs Ví dụ như tỷ số biến ḍng hay là giá trị trở kháng của đường dây

1.1.3 Phân tích cơ sở dữ liệu

Khi dữ liệu đă được thu thập, chúng sẽ được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu, tiếp tục xử lư phục vụ cho việc phân tích t́nh trạng của hệ thống

Ví dụ, các bộ cảm biến sẽ đo áp lực gas và nhiệt độ trong các máy cắt sử dụng khí SF6 Các trạng thái giám sát này được sử dụng để tính toán tỷ trọng của gas Cộng thêm vào đó là giá trị của thời gian, kết hợp với các giá trị đo lường sẽ cho phép hệ thống xác định được thời điểm cần phải bổ sung thêm gas cho máy cắt

Một thông tin rất có giá trị đó là khoảng thời gian xuất hiện hồ quang Trong một số hệ thống, người ta xác định hồ quang được dập tắt khi biên độ của ḍng điện hạ xuống dưới giá trị ngưỡng Những thông tin bổ sung về giá trị ḍng điện của cuộn cắt và giá trị của ḍng sơ cấp cho phép ước lượng được thời gian hoạt động của máy cắt và độ hao ṃn Từ đó có thể xác định được khi nào máy cắt cần được bảo dưỡng để tránh hỏng hóc hay hoạt động không chính xác

Các rơle bảo vệ lưu giữ giá trị biên độ ḍng điện của 3 pha mỗi khi máy cắt cắt Một vài rơle sẽ sử dụng thông tin này để tính toán phần trăm tuổi đời c ̣n lại của tiếp điểm máy cắt Điều này cũng tương tự như cách mà rơle quá ḍng

có thời gian làm việc Trong quá tŕnh xử lư, rơle sẽ đo ḍng điện và dùng giá

trị này trong thuật toán tích phân, so sánh kết quả cuối cùng với giá trị đặt Với chức năng xác định độ hao ṃn tiếp điểm, khoảng thời gian xử lý lớn hơn rất nhiều so với phần tử bảo vệ quá ḍng có thời gian Rơle bảo vệ cũng ghi lại

độ hao ṃn cơ khí của máy cắt bằng cách theo dơi số lần hoạt động của máy cắt mà không quan tâm đến biên độ của ḍng cắt

Giá trị thống kê số lần hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp TC (Tap

changer) cho phép xác định gần đúng độ hao ṃn Những thông tin khác như

về vị trí bộ chuyển nấc TC, điện áp hệ thống, điện áp tải sẽ cho phép có những đánh giá chính xác hơn, từ đó có thể chắc chắn được rằng điện áp của máy biến áp vẫn đang được điều khiển chính xác

Nhiệt độ dầu và ḍng điện sơ cấp sẽ là đầu vào để tính toán nhiệt độ cuộn dây của máy biến áp Thêm vào đó, vị trí của bộ điều chỉnh điện áp, điều kiện khí hậu, nhiệt độ cao và thấp nhất của bộ phận tản nhiệt cho phép dự báo nhiệt độ dựa theo tải và điều kiện môi trường Nếu nhiệt độ thực tế đo được vượt quá so với dự báo, một bộ phận chỉ thị sẽ báo tín hiệu hệ thống làm mát của máy biến áp làm việc không đúng Những giá trị này cũng cung cấp các thông tin có giá trị về cách điện của máy biến áp

Những kinh nghiệm về sự cố trên các đường dây truyền tải và phản ứng của các rơle bảo vệ cho phép nhanh chóng cách ly đoạn sự cố Các giá trị đo lường và trạng thái tác động của rơle cung cấp thông tin về tính chất và loại

sự cố Các dữ liệu về chất lượng hệ thống điện cho phép người vận hành đưa

ra những so sánh giữa thực tế vận hành với trạng thái lư tưởng Dữ liệu về rơle bảo vệ cho phép chứng thực sự phù hợp của chúng với môi trường hệ thống điện Tất cả những điều này góp phần vào việc giám sát sự vận hành của các đường dây truyền tải

Phân tích các dữ liệu của các IED và hệ thống thông tin liên lạc cho phép phát hiện và sửa chữa các lỗi xảy ra với các kênh thông tin, với các bộ vi xử

lư…

1.1.4 Phản ứng đối với cơ sở dữ liệu

Các phản ứng của hệ thống điện đối với cơ sở dữ liệu thu thập được ví dụ như từ các cảnh báo, cho phép có được các điều tra tức thời về sự cố xảy ra Các phản ứng của hệ thống cũng bao gồm cả các đánh giá và ước lượng đối với các thông số hoạt động của hệ thống

Lợi ích của các cảnh báo tức thời bao gồm cả việc bảo vệ con người và thiết

bị khỏi các rủi ro có thể xảy ra và giảm thời gian khắc phục sự cố Ví dụ như qua phân tích có thể chứng minh được sự suy giảm của hệ thống làm mát hay xác định được việc tự động đóng lại lần thứ ba không bao giờ thành công Các ước lượng đối với các thông số hoạt động của hệ thống cung cấp rất nhiều các cơ hội đối với hệ thống điện Các thiết bị giám sát cung cấp dữ liệu

để chứng minh hoạt động và đưa ra các quyết định xây dựng hệ thống tốt hơn rất nhiều so với việc tin vào cảm giác hay phán đoán lý thuyết Các quyết đinh này dẫn đến:

• Mở rộng dung lượng của các trạm biến áp thông qua việc đánh giá và xác định các thiết bị sẵn có tại trạm Dữ liệu cung cấp các nền tảng kỹ thuật cho việc đưa ra các quyết định

• Giảm chi phí bảo dưỡng bằng các kế hoạch bảo dưỡng thích hợp và phát huy có hiệu quả năng lực của đội ngũ bảo dưỡng Đội ngũ bảo dưỡng sẽ sử dụng cơ sở dữ liệu để xác định khi nào th́ tiến hành bảo dưỡng và những nhiệm vụ nào th́ chưa phải giải quyết…

• Nâng cao năng lực hoạt động của trạm thông qua các thiết bị giám sát chính xác Sự hoạt động có hiệu quả hơn của các thiết bị riêng lẻ là do hoạt động bảo dưỡng dựa trên t́nh trạng thực tế của thiết bị

• Giảm chi phí phải bổ sung thông qua việc tích hợp sản phẩm của nhiều nhà sản xuất Các bộ phận (pḥng, ban đơn vị) khác nhau có thể truy

nhập và sử dụng cùng một kho cơ sở dữ liệu, tránh việc phải xây dựng một đường thông tin liên lạc và cơ sở dữ liệu riêng biệt cho mỗi bộ phận

• Nâng cao độ tin cậy đo lường thông qua các hệ thống hoạt động giám sát Ngày nay, có rất nhiều khách hàng yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện rất cao, có thể là 24 giờ trong ngày và 7 ngày trong tuần Thông tin thu thập được sẽ được sử dụng để nâng cao độ tin cậy, đàm phán và xác định các điều khoản của các hợp đồng

• Nâng cao sự hiểu biết về năng lực của hệ thống điện thông qua các yêu cầu Nhà cung cấp điện có thể dự đoán nhu cầu trong tương lai của hệ thống điện từ đó có thể đẩy nhanh hoặc tŕ hoăn việc đưa thêm các dự án vào triển khai mà vẫn tiếp tục đáp ứng được nhu cầu của khách hàng tiêu thụ điện

1.2 Hệ thống thông tin phục vụ đo lường và điều khiển hệ thống điện

Các hệ thống thông tin phục vụ cho đo lường và điều khiển trong hệ thống điện ngoài những đặc thù riêng mang bản chất của nó th́ cũng được xây dựng dựa trên những kỹ thuật của một mạng truyền thông công nghiệp V́ vậy trong phần này chúng ta sẽ t́m hiểu một số những vấn đề mang tính cơ bản của một mạng thông tin hệ thống điện

1.2.1 Mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ cảm biến, cơ cấu chấp hành ở cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành Đối tượng của một mạng

truyền thông công nghiệp thường thuần tuư là các thiết bị công nghiệp, nên thông tin đáng được quan tâm nhất là dữ liệu Ví dụ đối với một mạng truyền thông áp dụng trong hệ thống điện, dữ liệu ở đây có thể là trạng thái các thiết

bị của một trạm biến áp: máy cắt, dao cách ly đóng hay mở, vị trí bộ chuyển nấc của máy biến áp, giá trị ḍng, áp của một lộ đường dây, nhiệt độ dầu máy biến áp

Mạng truyền thông công nghiệp cho phép đạt được những ưu thế không chỉ

ở phương diện kỹ thuật mà c ̣n ở cả khía cạnh hiệu quả kinh tế so với cách nối điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp V́ vậy mà ứng dụng của nó khá rộng răi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như điều khiển quá tŕnh,

tự động hoá xí nghiệp, điều khiển giao thông Trong hệ thống điện, hệ thống giám sát, điều khiển và thu nhập số liệu (SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition) là một ví dụ điển h́nh Vậy, mạng truyền thông công nghiệp

có vai tṛ quan trọng như thế nào trong các lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hoá:

• Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất

• Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt

• Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dùng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn mà các thiết bị nối mạng c ̣n có thêm khả năng tự phát hiện

và chuẩn đoán lỗi nếu có

• Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn hoá quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hăng khác nhau Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được nâng cao nhờ các giao diện chuẩn

• Đơn giản hoá, tiện lợi hoá việc tham số hoá, chuẩn đoán, định vị lỗi, sự

cố của các thiết bị: Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể trao đổi dữ liệu quá tŕnh, mà c ̣n có thể gửi cho nhau các

dữ liệu tham số, dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chuẩn đoán Các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chuẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giới lẫn nhau Việc cấu h́nh

hệ thống, lập tŕnh, tham số hoá, chỉnh định thiết bị và đưa vào vận hành

có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm

• Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển mới như là điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lư công ty

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ứng dụng của các hệ thống thông tin và đo lường điều khiển từ xa ngày càng rộng, trong hệ thống điện cũng vậy Xét trong một nhà máy điện, đó là hệ thống tự động hoá nhà máy Đối với một trạm biến áp đó là hệ thống tự động hoá trạm (SAS: Substation Automation System) Một mạng truyền thông công nghiệp có thể giúp đỡ nhiều trong việc tích hợp các hệ thống tự động hoá hiện đại này Từ đó, lượng

thông tin trên cơ sở dữ liệu của nhà máy điện, trạm biến áp và các phần tử khác của hệ thống sản xuất, truyền tải và phân phối sẽ phát huy được hiệu quả

to lớn trong việc quản lư tối ưu một hệ thống điện

1.2.2 Vấn đề truyền tín hiệu trong hệ thống điện

Các tham số sau đây thường được dùng trực tiếp, gián tiếp hay kết hợp để biểu thị nội dung thông tin:

• Tương tự: Tham số thông tin có thể có một dạng bất kỳ trong một khoảng nào đó

• Rời rạc: Tham số thông tin chỉ có thể có một số giá trị (rời rạc) nhất định

• Liên tục: Tín hiệu có ư nghĩa tại bất kỳ thời điểm nào trong một khoảng thời gian quan tâm Nói theo ngôn ngữ toán học, một tín hiệu liên tục là một hàm liên tục của biến thời gian trong một khoảng xác định

• Gián đoạn: Tín hiệu chỉ có ý nghĩa tại những thời điểm nhất định

Việc sử dụng các dạng tín hiệu khác nhau cũng là để thể hiện thông tin phục

vụ những mục đích sử dụng khác nhau Khi các giá trị tham số thông tin của một tín hiệu được biểu diễn bằng mă nhị phân, th́ dạng tín hiệu đặc biệt này

được gọi là tín hiệu số Nói một cách khác, tín hiệu số dùng để truyền tải

thông tin đă được mă hóa nhị phân Với tín hiệu số, ta chỉ cần phân biệt giữa hai trạng thái của tín hiệu ứng với các bit 1 và 0, v́ vậy sẽ hạn chế được một cách hiệu quả sự sai lệch thông tin bởi sự tác động của nhiễu

a Dạng tín hiệu: tương tự, liên tục

Tham số thông tin: Biên độ

b Dạng tín hiệu: tương tự, gián đoạn Tham số thông tin: Biên độ xung

y

t

y

t

c Dạng tín hiệu: rời rạc, liên tục

Tham số thông tin: Biên độ

d Dạng tín hiệu: rời rạc (số), gián đoạn Tham số thông tin: tần số xung

H́nh 1.1: Một số dạng tín hiệu thông dụng

Sự phân biệt giữa tín hiệu tương tự với tín hiệu rời rạc không đơn thuần ở dạng tín hiệu thực tế được dùng, mà quan trọng hơn là ở ý nghĩa của tham số thông tin được sử dụng trong tín hiệu Tham số thông tin không nhất thiết phải là một biến số học, mà rất có thể là một biến logic Như vậy, nh́n vào một tín hiệu ta chưa thể nói ngay được đó là tín hiệu số hay không Ví dụ ta

hoàn toàn có thể sử dụng một tín hiệu như trên H́nh 1.1a để mă hoá các bit 1

và 0 ứng với biên độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn không Trong trường hợp này, tham số thông tin không phải là giá trị số học của biên độ mà là giá trị logic của mệnh đề "biên độ lớn hơn 0"

b.Truyền một chiều và truyền hai chiều

Một đường truyền dữ liệu có thể hoặc làm việc dưới chế độ một chiều, hai chiều toàn phần hoặc hai chiều gián đoạn (hay c ̣n gọi là simplex, half-duplex

và duplex) (H́nh 1.4 ) Chế độ truyền này ít phụ thuộc vào tính chất vật lư của

môi trường truyền dẫn mà phụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn tín hiệu, chuẩn truyền dẫn (RS-232, RS-422, RS-485, ) và vào cấu h́nh của hệ thống truyền dẫn

Trong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ được truyền đi theo một chiều Một trạm khi đó chỉ có thể đóng vai tṛ hoặc là bên phát hoặc là bên nhận trong suốt quá tŕnh giao tiếp Ví dụ như trong kỹ thuật máy tính sử dụng chế độ

truyền này trong giao diện giữa bàn phím, chuột hoặc màn h́nh với máy tính Chế độ truyền một chiều hầu như không có vai tṛ đối với mạng truyền thông công nghiệp

Chế độ truyền hai chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi hoặc nhận thông tin, nhưng không phải là cùng một lúc Nhờ vậy thông tin được trao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lư Một ưu điểm của chế độ truyền này là không đ ̣i hỏi cấu h́nh hệ thống quá phức tạp, trong khi vẫn có thể đạt được tốc độ truyền tương đối cao Một trạm

có cả bộ phát và bộ thu Trong khi bộ phát làm việc th́ bộ thu phải nghỉ và ngược lại Do đặc tính này, chế độ truyền hai chiều gián đoạn thích hợp với kiểu liên kết điểm-nhiều điểm cũng như kiểu nhiều điểm Hay nói cách khác

là nó thích hợp với cấu trúc bus Trong một hệ thống bus, trạm nào cũng có quyền phát nên một phương pháp phân chia thời gian - tức là phương pháp truy nhập bus - để tránh gây ra xung đột tín hiệu Chế độ truyền này được sử dụng phổ biến trong mạng công nghiệp

Chế độ truyền hai chiều toàn phần cho phép mỗi trạm có thể gửi và nhận thông tin cùng một lúc Thực chất, chế độ này chỉ khác với chế độ hai chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát, tức

là có sự khác biệt ở cấu h́nh hệ thống truyền thông Do đó, chế độ truyền hai chiều toàn phần chỉ thích hợp với kiểu liên kết điểm-điểm, hay nói cách khác

là phù hợp với cấu trúc mạch ṿng và cấu trúc h́nh sao

c Tốc độ truyền và tốc độ bit

Tốc độ truyền hay tốc độ bit được tính bằng số bit dữ liệu được truyền đi

trong một giây, tính bằng bit/s hoặc bps (bit per second) Nếu tần số nhịp

được kư hiệu là f và số bit truyền đi trong một nhịp là n, số bit được truyền đi trong một giây sẽ là v = f*n Như vậy, có hai cách để tăng tốc độ truyền tải là tăng tần số nhịp hoặc tăng số bit truyền đi trong một nhịp Nếu mỗi nhịp chỉ

có một bit duy nhất được chuyển đi th́ v = f

Ngoài ra người ta c̣n dùng khái niệm tốc độ baud Tốc độ baud được định nghĩa là số lần tín hiệu thay đổi giá trị tham số thông tin (ví dụ biên độ) trong

một giây và có đơn vị là Baud Do hầu hết các hệ thống truyền dữ liệu hoạt

động theo nhịp tuần hoàn, tốc độ baud tương đương với tần số nhịp của hệ thống thu phát

d Thời gian lan truyền tín hiệu

Thời gian lan truyền tín hiệu là thời gian cần để một tín hiệu phát ra từ một đầu dây lan truyền tới đầu dây khác, phụ thuộc vào chiều dài và cấu tạo dây dẫn Tốc độ lan truyền tín hiệu chính là tốc độ truyền sóng điện từ Tuy nhiên, trong môi trường kim loại hoặc sợi quang học, giá trị này sẽ nhỏ hơn tốc độ truyền sóng điện từ hay tốc độ ánh sáng trong môi trường chân không Ta có

TS là thời gian lan truyền tín hiệu,

c là tốc độ ánh sáng trong chân không (300.000.000m/s)

k là hệ số giảm tốc độ truyền, được tính theo công thức:

k =



1 , với  là hằng số điện môi của lớp cách ly

Đối với các loại cáp có lớp bọc cách ly là Polyethylen với hằng số điện môi

=2,3, ta có hệ số k  0,67 Hệ số này cũng đúng với môi trường truyền là cáp quang và thường được dùng một cách tổng quát để tính toán giá trị tương đối của thời gian lan truyền tín hiệu trong nhiều phép đánh giá Như vậy TS xem như chỉ c ̣n phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn:

TS = l/200.000.000 [s]

1.2.3 Cấu trúc của mạng thông tin trong hệ thống điện

Một mạng thông tin trong hệ thống điện bao gồm có các đối tác truyền

thông và giữa chúng tồn tại một cấu trúc mạng liên quan tới tổ chức và phương thức phối hợp hoạt động Cấu trúc mạng ảnh hưởng tới nhiều tính năng kỹ thuật của toàn bộ hệ thống

Một cấu trúc mạng, hay người ta c̣n gọi là topology, là tổng hợp của các liên kết của một mạng Liên kết ở đây chính là mối quan hệ vật lư và logic giữa hai hay nhiều đối tác truyền thông Có thể chia ra làm ba loại cấu trúc cơ bản

là cấu trúc bus, mạch ṿng (tích cực) và cấu trúc h́nh sao

a Cấu trúc bus

Trong cấu trúc bus, tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, do đó có thể tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt

Có thể phân biệt ba kiểu cấu h́nh trong cấu trúc bus: daisy-chain,

truck-line/drop-line và mạch ṿng không tích cực (H́nh 1.5) Với cấu trúc

chain, mỗi trạm được nối mạng trực tiếp tại giao lộ của hai đoạn dây dẫn, không qua một đoạn dây nối phụ nào Ngược lại, trong cấu trúc trunk-line/drop-line, mỗi trạm được nối qua một đường nhánh (drop-line) để đi đến đường trục (trunk-line) C̣n mạch ṿng không tích cực tính chất chỉ khác với trunk-line/drop-line ở chỗ đường truyền được khép kín

Tính đơn giản, dễ thực hiện là một trong những ưu điểm nổi bật của cấu trúc mạng dạng bus Trong trường hợp nếu một thành viên của mạng không làm việc th́ hoàn toàn không ảnh hưởng tới sự làm việc của các thành viên c ̣n lại Tuy vậy, do dùng chung một đường dẫn đ ̣i hỏi phải có một phương pháp phân chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu - gọi là phương pháp truy nhập môi trường hay truy nhập bus Nguyên tắc là: tại một thời điểm chỉ có một thành viên trong mạng được gửi tín hiệu, c ̣n các thành viên khác chỉ có quyền nhận

b Cấu trúc mạch ṿng (tích cực)

Cấu trúc mạch ṿng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong mạch ṿng khép kín Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát ḍng tín hiệu Khác với cấu trúc đường thẳng, ở đây tín hiệu được truyền đi theo một chiều qui định Mỗi trạm nhận được dữ liệu từ trạm đứng trước và chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau Quá tŕnh này được lặp lại tới khi dữ liệu quay về trạm đă gửi,

nó sẽ được huỷ bỏ Trong cấu trúc mạch ṿng, có thể có hoặc là không có trạm

Master

H́nh 1.4 : Cấu trúc mạch ṿng

điều khiển trung tâm, đó là trạm chủ đảm nhiệm vai tṛ kiểm soát việc truy nhập đường dẫn

Có thể thấy một số những ưu điểm của cấu trúc mạch ṿng tích cực như sau:

• Mỗi nút đồng thời là một bộ khuếch đại, do vậy khi thiết kế mạng theo cấu trúc này có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn

• Mỗi trạm có khả năng vừa nhận và phát tín hiệu cùng một lúc Do mỗi thành viên ngăn cách mạch ṿng ra làm hai phần, và tín hiệu chỉ được truyền theo một chiều, nên biện pháp tránh xung đột tín hiệu thực hiện đơn giản hơn

• Với cấu trúc mạch ṿng c ̣n có ưu điểm ở khả năng xác định vị trí xảy ra

sự cố, ví trí đứt dây hay một trạm ngừng làm việc Tuy nhiên, sự hoạt động b́nh thường trở lại của mạng chỉ có thể khi có một đường dây dự pḥng Ví dụ khi xảy ra sự cố trên đường dây, các trạm lân cận với điểm xảy ra sự cố sẽ tự phát hiện lỗi và chuyển mạch tự động sang đường dây phụ để đi ṿng qua vị trí lỗi Hoặc là khi có một trạm bị hỏng, hai

nút khác, nó sẽ điều khiển hoạt động của toàn mạng Các thành viên khác sẽ được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm Nếu trạm trung tâm đóng vai tṛ tích cực, nó có thể đảm đương nhiệm vụ kiểm soát toàn bộ việc truyền thông của mạng, c ̣n nếu không nó đơn thuần sẽ chỉ như một bộ chuyển mạch

Do có trạm trung tâm nên nếu xảy ra sự cố làm nó ngừng hoạt động th́ cũng

có nghĩa là hoạt động của toàn bộ hệ thống bị tê liệt Đây là một nhược điểm lớn của cấu trúc h́nh sao V́ vậy mà trạm trung tâm đ ̣i hỏi phải có độ tin cậy rất cao Ngoài ra, nếu sử dụng cấu trúc h́nh sao trong trường hợp khoảng cách trung b́nh giữa các trạm nhỏ hơn khoảng cách từ chúng tới trạm trung tâm th́

sẽ rất tốn dây dẫn

1.2.4 Tính năng thời gian thực

Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đối với các hệ thống tự động Sự hoạt động b́nh thường của một hệ thống kỹ thuật làm việc trong thời gian thực không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đầu ra, mà c ̣n phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh, mà quan trọng là phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài Như vậy, một hệ thống truyền thông có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền thông Tính năng thời gian thực của một hệ thống

H́nh 1.6 : Cấu trúc h́nh sao

điều khiển phân tán phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống bus trường được dùng

Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống bus phải có những đặc điểm sau đây:

• Độ nhanh nhạy: Tốc độ truyền thông hữu ích đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể

• Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm

• Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển

dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định

• Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây hại thêm cho toàn bộ hệ thống

Rơ ràng, khả năng thỏa măn yêu cầu về thời gian thực phụ thuộc vào bài toán ứng dụng cụ thể Một mạng công nghiệp có tính năng thời gian thực không có nghĩa là sẽ thích ứng với mọi ứng dụng đ ̣i hỏi yêu cầu về thời gian thực Nhiệm vụ của người tích hợp hệ thống là phải lựa chọn và thiết kế một giải pháp thích hợp để thỏa măn yêu cầu này trên cơ sở phân tích các tính năng kỹ thuật liên quan, dưới điều kiện ràng buộc là giá thành chi phí

áp dụng với hệ thống thông tin trong hệ thống điện mà c ̣n đúng với một mạng truyền thông công nghiệp nói chung

CHƯƠNG 2 MẠNG THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Các kênh thông tin trong hệ thống điện

Cũng như các hệ thống kỹ thuật khác, thông tin trong hệ thống điện chiếm một vai trò hết sức quan trọng trong vận hành và tối ưu hóa hệ thống Trong tất cả các khâu sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng, lượng thông tin ngày càng trở nên rất lớn và rất đa dạng

Nếu như trước đây, mạng thông tin trong hệ thống điện chỉ giới hạn trong một số lĩnh vực như mạng điện thoại cục bộ của ngành, các kênh liên lạc phục

vụ cho bảo vệ rơle thì ngày nay nó đã phát triển hơn rất nhiều cả về số lượng và phạm vi không gian Trong quá trình thông tin liên lạc như vậy, môi trường truyền dẫn hay là phương tiện truyền dẫn có vai trò khá quan trọng Với cùng một "bức điện" cần phải chuyển đi, người ta có thể sử dụng nhiều phương tiện khác nhau, mỗi loại lại có những đặc tính kỹ thuật cũng như ưu, nhược điểm riêng Ví dụ như tốc độ truyền, khoảng cách truyền dẫn tối đa, tính tiện lợi trong lắp đặt hay là giá thành

Có rất nhiều loại phương tiện truyền dẫn, nhưng nhìn chung trong hệ thống điện người ta đang sử dụng các loại kênh truyền tín hiệu sau đây:

• Cáp điện: Cáp đồng trục, cáp đôi dây xoắn, cáp trơn

• Cáp quang: Đó là các hệ thống cáp sợi thủy tinh Cáp quang là một

phương tiện truyền dẫn mang lại hiệu quả rất cao, đang dần trở thành công nghệ cho tương lai

• Sóng vô tuyến: Sóng truyền thanh (radio, AM, FM), sóng truyền hình,

vi sóng (hay là sóng viba), tia hồng ngoại

• Kênh tải ba PLC (Power line carrier): Tải tín hiệu tần số cao bằng

đường dây tải điện

Việc lựa chọn và sử dụng kênh truyền nào là còn tùy thuộc vào yêu cầu đặt

ra của từng trường hợp cụ thể Trong đó ngoài yếu tố về mặt kỹ thuật (như tốc

độ truyền, độ rộng băng thông, khả năng kháng nhiễu, độ suy hao tín hiệu ) thì cũng phải quan tâm đến tính kinh tế, chi phí cho việc thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống

2.1.1 Cáp thông tin

1 Cáp đôi dây xoắn (Twisted - Pair Cable)

Cáp có tên gọi như vậy là vì nó cấu tạo gồm hai đường dây dẫn đồng được quấn cách ly, xoắn vào nhau Tác dụng của việc quấn dây như vậy là để làm giảm nhiễu điện từ gây ra bởi môi trường xung quanh và gây ra bởi bản thân chúng đối với nhau

Một cáp dẫn thường bao gồm có nhiều đôi dây xoắn, trường hợp phổ biến là

hai đôi dây Hiện nay, có 2 loại cáp được dùng là cáp có bọc kim STP

(Shielded Twisted Pair) và cáp không bọc kim UTP (Unshielded Twisted Pair) Sự khác nhau của STP và UTP ở chỗ, ngoài vỏ bọc chung bên ngoài

của cả cáp thì STP còn có thêm một lớp che chắn riêng cho từng đôi dây, như

trên hình 2.1

a STP

Lớp bọc kim bên ngoài cáp có tác dụng chống nhiễu điện từ Có nhiều loại cáp STP, có loại chỉ gồm 1 đôi dây xoắn ở trong vỏ bọc kim, nhưng cũng có loại gồm nhiều đôi dây xoắn

Tốc độ lý thuyết của cáp STP là khoảng 500Mb/s, tuy nhiên ít khi đạt được

Hình 2.1: Cáp đôi dây xoắn kiểu STP và UTP

tốc độ thực tế là 155Mb/s với khoảng cách lớn hơn 100m Tốc độ truyền dữ liệu của STP là 16Mb/s và độ dài chạy cáp STP thường giới hạn trong vài trăm mét

b UTP

Tính năng của UTP tương tự như của STP, chỉ kém về khả năng chống nhiễu và suy hao do không có lớp vỏ bọc kim

Có 5 loại cáp UTP hay được dùng, đó là:

• UTP loại 1 và 2: sử dụng thích hợp cho truyền thoại và truyền dữ liệu

tốc độ thấp (dưới 4Mb/s)

• UTP loại 3: thích hợp cho truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 16Mb/s Tuy nhiên cũng có những sơ đồ mới cho phép dùng cáp UTP loại 3 mà

vẫn đạt tới tốc độ 100Mb/s

UTP loại 3 hiện là cáp chuẩn dùng cho hầu hết các mạng điện thoại

• UTP loại 4: là cáp thích hợp cho việc truyền dữ liệu với tốc độ lên đến

Có tên gọi như vậy là vì hai đường dây dẫn của nó có cùng một trục chung

Cụ thể, cấu tạo của cáp đồng trục bao gồm một dây lõi bên trong và một dây (kiểu ống) bao bọc phía ngoài, được ngăn cách bởi một lớp cách ly (điện môi) Dây dẫn trung tâm thường là đồng cứng, dây bao xung quanh có thể là dây bện hoặc lá kim loại hoặc cả hai Vì nó cũng có chức năng chống nhiễu

nên còn được gọi là lớp bọc kim (shield) Lớp cách ly thường là polyethylen

(PE) còn vỏ bọc là nhựa PVC

Cáp đồng trục thích hợp cho cả truyền tín hiệu tương tự và tín hiệu số Người ta phân biệt hai loại cáp đồng trục là cáp dải cơ sở (baseband coax) và cáp dải rộng (broadband coax) Loại thứ nhất được sử dụng rộng rãi trong truyền dữ liệu trong khi loại thứ hai thường được sử dụng là môi trường truyền tín hiệu tương tự Phạm vi ứng dụng cổ điển của cáp đồng trục là trong các hệ thống cáp truyền hình

Nhờ cấu trúc đặc biệt cũng như tác dụng của lớp dẫn ngoài, các điện trường

và từ trường được giữ gần như hoàn toàn bên trong một cáp đồng trục Chính

vì vậy mà hiện tượng xuyên âm không đáng kể so với cáp đôi dây xoắn Bên cạnh đó, hiệu ứng bề mặt (là hiệu ứng mà ở tần số cao, dòng điện tập trung chủ yếu ở bề mặt của dây dẫn) cũng làm giảm sự tổn hao trên đường truyền khi sử dụng cáp truyền có đường kính lớn Về đặc tính động học, cáp đồng trục có dải tần lớn hơn so với cáp đôi dây xoắn nên việc tăng tần số nhịp để nâng tốc độ truyền cũng dễ thực hiện hơn Tốc độ truyền tối đa cho phép có thể lên tới 1-2Gbit/s Với tốc độ thấp, khoảng cách truyền có thể lên tới vài nghìn mét mà không cần phải có bộ lặp Tuy nhiên, bên cạnh giá thành cao hơn cáp đôi dây xoắn thì việc lắp đặt, đấu dây phức tạp cũng là một nhược

điểm của cáp đồng trục

2.1.2 Kênh liên lạc cáp quang

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cáp quang

• Cấu tạo

Dây dẫn lõi đồng Lớp cách ly (PE)

Vỏ bọc PVC

Lớp dẫn ngoài

Hình 2.2: Cấu tạo cáp

đồng trục

Một sợi cáp quang bao gồm một sợi lõi, một lớp bọc và một lớp vỏ bảo vệ như trên hình vẽ dưới đây:

Lõi là một sợi hoặc một bó sợi được làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt có thể truyền dẫn tín hiệu quang Vỏ là một lớp bọc bao quang lõi, cũng

được làm bằng sợi thủy tinh hay chất dẻo trong suốt Nó có tác dụng phản xạ, ngăn không cho ánh sáng lọt ra ngoài lõi Ngoài ra, lớp vỏ này còn có tác

dụng cách ly và bảo vệ lõi Và bên ngoài cùng là lớp vỏ bảo vệ plastic, để bảo

vệ cho toàn bộ sợi cáp

• Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc của cáp quang dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần của ánh sáng tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 môi trường có sự khác nhau về hệ số khúc xạ Về lý thuyết, khi một tia sáng đi đến mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất n1 và n2 khác nhau nó có thể bị khúc xạ, phản xạ hoặc là xảy ra cả hai hiện tượng trên Tuy nhiên, nếu chiết suất của 2 môi trường và góc tới của ánh sáng (là góc hợp bởi tia sáng với đường trực giao bề mặt) thỏa mãn điều kiện sau thì có thể xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:

) ( arctg

Cáp sợi quang chỉ có thể hoạt động ở một trong hai chế độ là : Single-Mode (chỉ có một đường dẫn quang duy nhất) hoặc Multi-Mode (có nhiều đường

dẫn quang):

n 1

n 2



Hình 2.4: Nguyên lý phản xạ toàn phần của ánh sáng

a Sợi đa chế độ - chiết suất bậc

b Sợi đa chế độ - chiết suất biến đổi đều