Mô phỏng hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp theo tiêu chuẩn iec 61850 ứng dụng thực hành và giảng dạy

TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP TRẠM BIẾN ÁP THEO TIÊU CHUẨN IEC 61850 - ỨNG DỤNG THỰC HÀNH VÀ GIẢNG DẠY NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Mô phỏng một hệ thống điều khiển tíc

-

ĐINH LÊ DUY NGHĨA

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP TRẠM BIẾN ÁP THEO TIÊU CHUẨN IEC 61850 - ỨNG DỤNG THỰC HÀNH VÀ GIẢNG DẠY

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Phạm Đình Anh Khôi

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh ngày tháng năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP TRẠM BIẾN ÁP THEO TIÊU CHUẨN IEC 61850 - ỨNG DỤNG THỰC HÀNH

VÀ GIẢNG DẠY

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Mô phỏng một hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEC 61850 với đầy đủ chức năng điều khiển, bảo vệ, giám sát và quản lý vận hành

 Xây dựng cơ sở dữ liệu và công cụ giả lập quá trình vận hành phục vụ

thực hành và huấn luyện vận hành viên Có khả năng ứng dụng vào giảng dạy thực tế

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 17/08/2015

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TIẾN SĨ PHẠM ĐÌNH ANH KHÔI

TP HCM, ngày……tháng… năm 2016

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

-

Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này, trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn

Tiến sĩ Phạm Đình Anh Khôi đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn, cho tôi

những lời khuyên bổ ích trong quá trình thực hiện và tạo cho tôi những điều kiện tốt nhất để nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin cảm ơn các cán bộ giảng viên Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, Khoa Điện- Điện tử đã tận tình giảng dạy, giúp tôi có những kiến thức bổ ích về cơ

sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại Đại học Bách khoa TP HCM, nhờ đó tôi có phương pháp và hướng nghiên cứu hợp lý cho luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã cho tôi những lời khuyên và kiến thức bổ ích để tôi bổ sung vào quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Và cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên trong gia đình đã luôn luôn bên tôi, giúp tôi có những điều kiện tốt nhất về tinh thần và vật chất để tôi hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu chương trình thạc sĩ tại Trường Đại học Bách khoa TP HCM

Trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này dù đã cố gắng hoàn thiện nhưng không thể tránh khỏi sai xót trong quá trình báo cáo, tôi rất mong nhận được những góp ý của quý cán bộ giảng viên và mọi người để luận văn hoàn thiện tốt hơn trong tương lai

Tôi xin chân thành cảm ơn!

TP HCM, tháng 06 năm 2016 Đinh Lê Duy Nghĩa

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tiêu chuẩn IEC 61850 ra đời như một tiêu chuẩn truyền thông toàn cầu cho hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp Trên thế giới và ở Việt Nam, công nghệ điều khiển tích hợp trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEC 61850 đang được phát triển nhanh chóng và rộng khắp Tuy nhiên những hiểu biết về tiêu chuẩn IEC 61850, về hệ thống điều khiển tích hợp tại Việt Nam chưa được phổ biến và đặc biệt là tiếp cận các trạm biến áp sử dụng hệ thống điều khiển tích hợp là rất khó khăn Mô hình mô phỏng là giải pháp tối ưu giúp cho quá trình tìm hiểu và tiếp cận hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp dễ dàng và trực quan hơn

Đề tài được hoàn thành sẽ tạo ra một giao diện mô phỏng bám sát với hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp đang được sử dụng phổ biến nhất ở Việt Nam, có đầy đủ chức năng của một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh đồng thời cũng tuân theo tiêu chuẩn IEC 61850 Ngoài ra đề tài được xây dựng trên các công cụ phần mềm tiên tiến, đơn giản nhưng hiệu quả, từ đó có thể giúp đưa mô hình vào hoạt động giảng dạy cho sinh viên và thực hành cho vận hành viên trạm biến áp Mô hình sẽ giúp cho sinh viên có thêm công cụ thực tập và nghiên cứu; giúp các công ty điện lực có mô hình trực quan để huấn luyện, thực hành và kiểm tra vận hành viên từ đó nâng cao trình độ vận hành, tăng chất lượng công tác vận hành, rút ngắn thời gian khắc phục

sự cố và tăng chất lượng truyền tải của lưới điện Việt Nam

ABSTRACT

IEC 61850 standard is a new international standard for substation automation system (SAS) SAS complied with IEC 61850 is being developed quickly and extensively around the world and in Vietnam However, knowledge of IEC 61850 and SAS in universities in Vietnam is not well understood Practice on SAS in Vietnamese substation is not allowed due to security regulations Simulation is thus the optimal solution to develop a SAS model for this purpose

In this thesis, simulation of integrated substation automation control system complied with IEC 61850 will be designed for studying and training activities Human Machine Interface (HMI) of the simulation is similar with the most common SAS in Vietnam and programing implements completes full function of SAS in compliance with the IEC 61850 In addition, the simulation work which is based on advanced software tools is simple, and effective for training purpose Finally, the simulation will help to enhance the level of operator, fix the problem in substations quickly and improve the quality of the Vietnamese transmission grid

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sĩ này là kết quả nghiên cứu của riêng tôi Kết quả đạt được trong luận văn này là trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ đề tài nào trước đây

Đinh Lê Duy Nghĩa

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 11

1.1 Đặt vấn đề 11

1.2 Mục tiêu đề tài 11

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

1.4 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 12

1.5 Bố cục đề tài 13

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 14

2.1 Tổng quan về đề tài 14

2.2 Tóm lượt các tài liệu nghiên cứu đã thực hiện 14

2.3 Điểm mới của đề tài 15

CHƯƠNG 3: TRẠM BIẾN ÁP ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP THEO TIÊU CHUẨN IEC 61850 18

3.1 Quá trình phát triển hệ thống điều khiển trạm biến áp 18

3.1.1 Hệ thống điều khiển TBA kiểu truyền thống 20

3.1.2 Hệ thống điều khiển tích hợp TBA không theo tiêu chuẩn IEC 61850 22

3.1.3 Hệ thống điều khiển tích hợp TBA theo tiêu chuẩn IEC 61850 25

3.2 Các giao thức truyền thông trong trạm biến áp 27

3.2.1 Giáo thức Modbus 27

3.2.2 Giao thức mạng phân phối (DNP- Distributed Network Protocol) 28

3.2.3 Giao thức IEC 60870-5-101 29

3.2.4 Sự ra đời giao thức IEC 61850 29

CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN TIÊU CHUẨN IEC 61850 32

4.1 Giới thiệu về tiêu chuẩn IEC 61850 32

4.2 Các thành phần trong mô hình IEC 61850 34

4.2.1 Mô tả thông tin dữ liệu và trao đổi thông tin trong nút lô gic (Logical Node-LN) 34

4.2.2 Mô hình thiết bị lô gic (Logical Device- LD) 38

4.3 Các mô hình dịch vụ trao đổi thông tin của IEC 61850 39

4.3.1 Phương pháp trao đổi thông tin ACSI 39

4.3.2 Phương pháp gửi thông tin sự cố TBA (Generic Object Oriented Substation Event- GOOSE) 42

4.3.3 Truyền dữ liệu mẫu (Sample Value- SV) 43

4.3.4 Trao đổi thông tin báo cáo và ghi nhật ký 44

4.4 Tiếp cận tiêu chuẩn IEC 61850 theo hướng ứng dụng 46

4.5.1 Mô hình đối tượng ngôn ngữ SCL 49

4.5.2 Tập tin mô tả file SCL và cấu trúc ngôn ngữ SCL 50

4.6 Cấu trúc TBA tự động hoá theo tiêu chuẩn IEC 61850 52

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP TRẠM BIẾN ÁP THEO TIÊU CHUẨN IEC 61850 54

5.1 Cơ sở lý luận và thực tiễn lựa chọn giải pháp mô phỏng HTĐK tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850 55

5.1.1 Cơ sở lý luận lựa chọn giải pháp cho mô hình 55

5.1.2 Các quy định về HTĐK tích hợp TBA ở Việt Nam 55

5.1.3 Tham khảo giao diện điều khiển của một số TBA tại Việt Nam 56

5.1.4 Giao diện VATECH của hãng VATECH 58

5.1.5 Giao diện PACiS của hãng AREVA 60

5.1.6 Giao diện @STATION của Công ty ATS 64

5.2 Lựa chọn phần mềm xây dựng mô hình 68

5.2.1 Giải pháp phần mềm giao diện HMI 68

5.2.2 Lựa chọn giải pháp phần mềm tính toán lô gic điều khiển 70

5.3 Xây dựng giao diện điều khiển HMI cho mô hình 74

5.4 Lập cơ sở dữ liệu ảo cho mô hình 76

5.5 Mô phỏng quá trình điều khiển cho mô hình 78

5.5.1 Xây dựng lưu đồ điều khiển thiết bị 78

5.5.2 Lập trình quá trình điều khiển trên phần mềm Incontrol Wonderware 80

5.6 Xây dựng chương trình cho quá trình đào tạo và thực hành 80

5.6.1 Mô phỏng quá trình vận hành bình thường 81

5.6.2 Mô phỏng quá trình vận hành bất thường 82

5.6.3 Mô phỏng sự cố trong TBA 89

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ 95

6.1 Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tích hợp TBA 95

6.2 Kết quả xây dựng chương trình giảng dạy và thực hành 95

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 97

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 3.1: Hệ thống điều khiển TBA kiểu truyền thống 21

Hình 3.2: Hệ thống điều khiển tích hợp không theo tiêu chuẩn IEC 61850 24

Hình 3.3: Hệ thống điều khiển tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850 27

Hình 3.4: Mô hình kết nối Modbus TCP/IP 28

Hình 3.5: Mô hình giao thức IEC 870-5-101 29

Hình 3.6: Quá trình hợp nhất giữa UCA và IEC 30

Hình 3.7: Mô hình dự án IEC 61850 31

Hình 4.1: Mô tả loại thông tin trong LN 35

Hình 4.2: Mô tả thông tin vị trí máy cắt dạng cấu trúc hình cây 36

Hình 4.3: Mô hình trích ngắn của một đoạn dịch vụ trong LN 37

Hình 4.4: Mô hình khối LD 38

Hình 4.5: Mô hình LD và thiết bị vật lý LPHD 39

Hình 4.6: Phương pháp trưo đổi thông tin ACSI 40

Hình 4.7: Mô hình ảo hóa 41

Hình 4.8: Áp dụng cho mô hình GOOSE 42

Hình 4.9: Mô hình trao đổi thông tin SV 44

Hình 4.10: Mô hình báo cáo và ghi nhật ký 45

Hình 4.11: Mô hình liên kết trong trạm 47

Hình 4.12: Cấu trúc liên kết giữa thiết bị và ứng dụng 48

Hình 4.13: Mô hình trao đổi thông tin trong quá trình xử lý cấu trúc trạm 50

Hình 4.14: Cơ chế sử dụng các file cấu hình SCL [6] 51

Hình 4.15: Mô hình cấu trúc TBA tự động 52

Hình 5.1: Sơ đồ One-line 110 kV hệ thống SICAM PAS TBA 220 kV Sóc Trăng 57 Hình 5.2: Giao diện MBA hệ thống SICAM PAS TBA 220 kV Sóc Trăng 57

Hình 5.3: Giao diện One-line 500 kV hệ thống VATECH TBA 500 kV Nhà Bè 58

Hình 5.4: Giao diện One-line 220 kV hệ thống VATECH TBA 500 kV Nhà Bè 58

Hình 5.5: Giao diện ALARM hệ thống VATECH TBA 500 kV Nhà Bè 59

Hình 5.6: Giao diện điều khiển MBA hệ thống VATECH TBA 500 kV Nhà Bè 59

Hình 5.7: Giao diện điều khiển mức ngăn hệ thống VATECH TBA 500 kV Nhà Bè

60

Hình 5.8: Giao diện giám sát đường truyền hệ thống VATECH TBA 500 kV Nhà Bè 60

Hình 5.9: Giao diện One-line 500 kV hệ thống PACiS TBA 500 kV Thường Tín 61

Hình 5.10: Giao diện điều khiển mức hệ thống PACiS TBA 500 kV Thường Tín 62

Hình 5.11: Giao diện điều khiển MBA hệ thống PACiS TBA 500 kV Thường Tín 62 Hình 5.12: Giao diện ALARM hệ thống PACiS TBA 500 kV Thường Tín 62

Hình 5.13: Giao diện truyền thông hệ thống PACiS TBA 500 kV Thường Tín 63

Hình 5.14: Giao diện đồ thị xu hướng hệ thống PACiS TBA 500 kV Thường Tín 63 Hình 5.15: Giao diện One-line hệ thống @STATION TBA 220 kV Củ Chi 64

Hình 5.16: Giao diện ALARM hệ thống @STATION TBA 220 kV Củ Chi 65

Hình 5.17: Giao diện mức ngăn hệ thống @STATION TBA 220 kV Củ Chi 65

Hình 5.18: Giao diện truyền thông hệ thống @STATION TBA 220 kV Củ Chi 66

Hình 5.19: Giao diện thao tác SCADA hệ thống @STATION TBA 220 kV Củ Chi 66

Hình 5.20: Giao diện điều khiển MBA hệ thống @STATION TBA 220 kV Củ Chi 67

Hình 5.21: Giao điện đồ thị xu hướng hệ thống @STATION TBA 220 kV Củ Chi 67

Hình 5.22: Ngôn ngữ khối rơ le lô gic (Relay Ladder Logic-RLL) 71

Hình 5.23: Ngôn ngữ khối rơ le lô gic (Relay Ladder Logic-RLL) 71

Hình 5.24: Ngôn ngữ cấu trúc lệnh (Structured Text Language- STL) 71

Hình 5.25: Ngôn ngữ mô hình nhà máy (Factory Object- FOE) 72

Hình 5.26: Mô hình kết nối OPC cục bộ tại chỗ 73

Hình 5.27: Mô hình kết nối OPC từ xa 74

Hình 5.28: Cảnh báo liên động khi thao tác sai DCL 131-1 82

Hình 5.29: Tạo bất thường lò xo MC 131 83

Hình 5.30: Cảnh báo bất thường lò xo MC 131 trên cửa sổ ALARM 83

Hình 5.31: Cảnh báo bất thường lò xo MC 131 trong giao diện Bay E01 84

Hình 5.32: Cấm điều khiển khi lò xo MC 131 không căng 85

Hình 5.33: Tạo bất thường Aptomat TU đường dây ngăn E02 86

Hình 5.34: Cảnh báo bất thường Aptomat TU đường dây ngăn E02 trên ALARM 86 Hình 5.35: Cảnh báo bất thường Aptomat TU đường dây tại ngăn E02 86

Hình 5.36: Thông báo cấm thao tác tiếp địa 172-76 khi aptomat TU OFF 87

Hình 5.37: Cảnh báo trên màn hình LAN MONITOR 88

Hình 5.38: Cảnh báo trên Giao diện One-line của ngăn K01 88

Hình 5.39: Cảnh báo trên giao diện ngăn K01 88

Hình 5.40: Tạo sự cố rơ le áp suất tăng đột biến thân MBA T1 tác động cấp 2 90

Hình 5.41: Cảnh báo xuất hiện khi rơ le áp suất thân MBA T1 tăng cao tác động 90

Hình 5.42: Cảnh báo trên các mặt rơ le bảo vệ ngăn MBA T1 và ngăn K01 91

Hình 5.43: Giả lập sự cố Zone1 ngăn E02 92

Hình 5.44: Rơ le tác động mở MC 171 ngăn E02 93

Hình 5.45: Rơ le Lockout tác động khóa mạch đóng MC171 ngăn E02 93

Hình 5.46: Giao diện ALARM ghi lại sự cố ngăn E02 93

DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: So sánh các HTĐK trong TBA 19

Bảng 5.1: Biến mô tả mô hình máy cắt 76

Bảng 5.2: Biến mô tả mô hình DCL 77

Bảng 5.3: Biến mô tả mô hình MBA 77

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu/ viết tắt Ý nghĩa/ viết đầy đủ

System) SCADA Thu thập dữ liệu và điều khiển xa (Supervisory Control And

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hệ thống thông tin liên lạc, đo lường, điều khiển thì tự động hóa trong hệ thống điện là một trong những lĩnh vực đã phát triển mạnh trên thế giới và ở Việt Nam Kể từ năm 2002, hệ thống điều khiển tích hợp TBA theo chuẩn IEC 61850 đã được phát triển rộng rãi ở Việt Nam; trong các

dự án xây mới TBA đều được thiết kế với hệ thống điều khiển tích hợp máy tính, các trạm truyền thống cũng dần được cải tạo và nâng cấp lên hệ thống điều khiển tích hợp Kiến thức về hệ thống điều khiển tích hợp TBA theo tiêu chuẩn IEC 61850 chưa được phổ biến ở trong các trường đại học Quá trình tiếp cận các TBA đang vận hành

để giới thiệu, thực hành về hệ thống điều khiển tích hợp rất khó khăn do các quy định vận hành không cho phép Việc mô phỏng hệ thống điều khiển tích hợp TBA theo tiêu chuẩn IEC 61850 dùng các bộ phần mềm chuyên dụng về thiết kế giao diện và quản lý dữ liệu sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong giảng dạy, giới thiệu và huấn luyện điều hành viên TBA

1.2 Mục tiêu đề tài

Đề tài này nhằm mục đích xây dựng giao diện mô phỏng hệ thống điều khiển tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850 đang được sử dụng nhiều ở các TBA xây mới ở Việt Nam bằng cách kết hợp nhiều giải pháp phần mềm chuyên dụng Giao diện mô phỏng

sẽ được xây dựng với đầy đủ các chức năng của một hệ thống điều khiển tích hợp bao gồm lô gic điều khiển, giao diện cảnh báo quá trình vận hành, giao diện giám sát thiết

bị và thông số vận hành Đề tài sẽ xây dựng cơ sở dữ liệu ảo và các chương trình điều khiển mô phỏng theo tiêu chuẩn IEC 61850 từ đó có cái nhìn trực quan hơn về tiêu chuẩn IEC 61850, cách thức hoạt động của TBA tự động hóa Đề tài sẽ tìm hiểu và

sử dụng các phần mềm chuyên dụng đơn giản nhưng hiệu quả cao để xây dựng mô hình, giúp mô hình dễ hiệu chỉnh và mở rộng trong quá trình giới thiệu thực tế Cuối cùng là xây dựng các giả lập quá trình điều khiển, các bất thường và sự cố có thể xảy

ra trong quá trình vận hành TBA nhằm có thư viện tham khảo và chương trình giảng dạy, huấn luyện cho vận hành viên TBA và sinh viên

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Để thực hiện đề tài, yêu cầu trước tiên đặt ra là nắm vững tiêu chuẩn IEC 61850 đối với hệ thống điều khiển tích hợp TBA Các nội dung cần nắm vững bao gồm yêu cầu về thiết bị, giao thức kết nối, tiêu chuẩn về cơ sở dữ liệu, giao diện điều khiển Sau khi nắm vững các quy định tiêu chuẩn IEC 61850, cần tìm hiểu về các mô hình điều khiển tích hợp tại các TBA hiện hữu của Việt Nam, từ đó lựa chọn giải pháp xây dựng giao diện mô phỏng

Đề tài sẽ xây dựng lại các giao diện, các cơ sở dữ liệu cho giao diện mô phỏng bằng các phần mềm thiết kế giao diện và phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu chuyên dụng Mô hình sẽ được giả lập các trạng thái thiết bị cũng như các lệnh điều khiển nhằm mục đích giúp làm quen và huấn luyện quá trình thao tác Mô hình cũng sẽ được trang bị cơ sở dữ liệu giúp mô phỏng các quá trình quản lý thiết bị, quản lý sự

cố, giám sát vận hành thêm sinh động và gần gũi với thực tế vận hành

Quá trình xây dựng giao diện mô phỏng ngoài việc tham khảo các hệ thống đang vận hành tại Việt Nam, mô hình cần tuân theo các quy định, quy trình vận hành chung của hệ thống điện cũng như các quy phạm về thiết bị điện trong TBA ở Việt Nam Với mục đích huấn luyện vận hành viên xử lý các sự cố xảy ra trong quá trình vận hành TBA, các trường hợp mô phỏng sẽ xây dựng dựa trên các sự cố thực tế vận hành, cũng như tuân theo các quy trình xử lý sự cố, quy trình thao tác hệ thống điện Việt Nam

1.4 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Hệ thống điều khiển tích hợp TBA đã được xây dựng và đưa vào vận hành nhiều

ở Việt Nam, tuy nhiên việc tiếp cận hệ thống điều khiển, thực hành thao tác trên hệ thống đang vận hành rất khó khăn vì các quy định nghiêm ngặt trong an toàn vận hành TBA Việc xây dựng các mô hình theo thực tế với đầy đủ thiết bị sẽ tốn chi phí

rất cao, thiết kế thi công phức tạp và tốn chi phi vận hành bảo dưỡng Xây dựng thành công giao diện mô phỏng trên máy tính sẽ tạo điều kiện để có thể giới thiệu, giảng dạy và thực hành hệ thống điều khiển tích hợp TBA theo tiêu chuẩn IEC 61850 cho sinh viên và vận hành viên mới với chi phí thấp và có tính ứng dụng cao Kết quả của

đề tài có thể được giới thiệu cho các sinh viên chuyên ngành hệ thống điện, những kỹ

sư tương lai về tiêu chuẩn IEC 61850 và cấu trúc của TBA tích hợp Đặc biệt kết quả

có thể được sử dụng để huấn luyện các vận hành viên thao tác, vận hành, quản lý các TBA điều khiển máy tính nhằm nâng cao trình độ vận hành, giúp làm quen với hệ thống điều khiển mới giúp nâng cao chất lượng lưới truyền tải và chất lượng điện ở Việt Nam

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Tổng quan

Chương 3: Trạm điều khiển tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850

Chương 4: Tổng quan về tiêu chuẩn IEC 61850

Chương 5: Mô phỏng hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEC 61850

Chương 6: Kết quả

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về đề tài

Hệ thống điều khiển tích hợp TBA theo tiêu chuẩn IEC 61850 đang được phát triển rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam Trong thực tế vận hành việc tiếp cận hệ thống, thực hành và nghiên cứu gặp nhiều khó khăn vì các quy định an toàn trong vận hành

Các mô hình mô phỏng TBA đã được xây dựng trong hệ thống điện Việt Nam với mục đích đào tạo, kiểm tra vận hành viên trong các công ty điện lực Tuy nhiên

để xây dựng các mô hình đầy đủ một TBA điều khiển tích hợp bao gồm phần cứng

và phần mềm đòi hỏi kinh phí đầu tư cao cũng như không linh hoạt trong sử dụng Xây dựng mô phỏng hệ thống điều khiển tích hợp TBA bằng các phần mềm chuyên dụng sẽ giúp giảm chi phí thực hiện, linh hoạt trong quá trình sử dụng và bổ sung chức năng

2.2 Tóm lượt các tài liệu nghiên cứu đã thực hiện

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tự động hóa TBA, các đề tài tìm hiểu về tiêu chuẩn IEC 61850, tìm hiểu về hệ thống điều khiển TBA, đề tài thiết

kế hệ thống điều khiển tích hợp TBA và mô phỏng tiêu chuẩn IEC 61850 cũng được nghiên cứu và giới thiệu rộng rãi

Một số đề tài nghiên cứu trong nước và nước ngoài đã được giới thiệu:

 Lập trình mô phỏng trạm biến áp, tác giả Dương Thành Nhân, bảo vệ luận văn thạc sỹ Đại học Bách khóa TP HCM năm 2014 [1]

Mô phỏng đã được nghiên cứu và thực hiện theo HTĐK tích hợp kiểu cũ chuẩn giao tiếp Modbus, giao diện đơn giản nên sẽ khó khăn áp dụng đối với các TBA phức tạp với nhiều thiết bị IEDs, sử dụng công cụ lập trình Matlab tuy nhiên chưa khai thác hết tính năng của phần mềm này dẫn đến khó khăn trong việc mở rộng mô hình sau này Vì giả lập kết nối bằng chuẩn Modbus nên mô phỏng chưa tạo được cơ sở dữ liệu đầy đủ có thể dùng chung với mục

đích kết nối cho nhiều máy tính và ứng dụng khác nhau Kịch bản xây dựng giả lập sự cố trong phần trình bày của đề tài còn đơn giản, theo những lý thuyết

cơ bản của bảo vệ rơ le, chưa thể hiện được sự phối hợp giữa các thiết bị và các cơ chế bảo vệ phức tạp khác

 Hệ thống mô phỏng huấn luyện vận hành trạm biến áp , tác giả Nguyễn Văn Liêm cùng nhiều tác giả khác trên tạp chí KH&CN, tập 18, trang 150, số K6 năm 2016 [2]

Báo cáo trên đã xây dựng thành công một hệ thống mô phỏng hệ thống điều khiển TBA dùng các phần mềm Vijeo Designer, Unity Pro và Matlab để xây dựng giao diện HMI, tính toán lô gic và giả lập PLC điều khiển Việc kết hợp các phần mềm đã tạo ra chương trình mô phỏng đầu tiên về hệ thống điều khiển TBA Tuy nhiên mô hình vẫn dùng giao thức Modbus với đặc điểm tốc

độ chậm, khoảng cách ngắn nên vẫn chưa áp dụng cho hệ thống phức tạp và

tự động hóa TBA

 Development of training simulator for power system operators, H Shiota, Y Tamenaga, T Tsuji, K Dan IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol PAS-102, No 10, October 1983 [1]

Mô hình mô phỏng là một sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm Hệ thống mô phỏng được xây dựng thành một gian phòng với các thiết bị chính

là mimic board, màn hình CRT, máy in, bảng điều khiển kết hợp với máy tính

để tính toán online các thông số vận hành Với sự tham gia của nhiều phần cứng, cần không gian xây dựng sẽ làm mức đầu tư cho toàn bộ các trạm ở Việt Nam rất lớn, bên cạnh đó tính linh hoạt thấp của hệ thống dạng này hoàn toàn không phù hợp đối với hiện trạng tại Việt Nam

2.3 Điểm mới của đề tài

Nối tiếp những nghiên cứu trước đây và khắc phục những hạn chế của các đề tài trước, mô hình xây dựng mới trong đề tài này sẽ tham khảo những hệ thống điều khiển tích hợp TBA đang sử dụng tại Việt Nam, từ đó lựa chọn mô hình phổ biến và tối ưu nhất để mô phỏng Giao diện sau khi xây dựng bám sát theo giao diện đang

được sử dụng trên hơn 60 TBA từ 110 kV đến 500 kV ở Việt Nam Ngoài ra cơ sở

dữ liệu ảo và giao thức truyền dữ liệu của mô phỏng sẽ xây dựng theo tiêu chuẩn IEC61850, tiêu chuẩn mới và ưu việt nhất cho TBA điều kiển tích hợp hiện nay trên thế giới

Đề tài cũng sẽ chọn bộ phần mềm đơn giản với hiệu năng cao là SmartHMI và InControl nhằm giúp tiếp cận phần mềm dễ dàng từ đó quá trình ứng dụng mô hình đơn giản và trên quy mô rộng Sau khi hoàn thành, mô phỏng có thể được sử dụng cho giảng dạy sinh viên, tạo ra một công cụ học tập, nghiên cứu mới cho sinh viên để

áp dụng trong các môn học như vận hành hệ thống điện, bảo vệ rơ le, tự động hóa TBA Đặc biệt mô phỏng sẽ tạo ra một chương trình mới cho các công ty điện lực ứng dụng cho quá trình đào tạo, huấn luyện, thực hành và kiểm tra vận hành viên TBA Từ đó nâng cao trình độ vận hành viên, giảm thời gian xử lý sự cố, nâng cao

độ tin cậy trong vận hành TBA

Đề tài sẽ xây dựng mô hình theo những quy định nghiêm ngặt về thiết kế TBA, thiết kế hệ thống điều khiển TBA do Tập đoàn điện lực Viêt Nam (EVN), Bộ công thương ban hành Ngoài ra, các sự cố giả lập sẽ bám sát theo các báo cáo sự cố thực

tế tại các công ty điện lực, tuân theo quy trình thao tác hệ thống điện, quy trình xử lý

sự cố hệ thống điện Viêt Nam Sau khi hoàn thành, mô phỏng sẽ là kho kiến thức rộng và bổ ích, trực quan sinh động để áp dụng cho quá trình giảng dạy và thực hành

Mô phỏng sau khi được xây dựng sẽ có những kết quả mới so với những đề tài trước kia như sau:

 Xây dựng mới giao diện điều khiển tích hợp TBA hoàn chỉnh với đầy đủ chức năng cho một TBA 110 kV điển hình theo giao diện phổ biến nhất ở Việt Nam, qua đó quá trình huấn luyện, giảng dạy sẽ gần gũi với thực tế hơn

 Cấu hình hệ thống biến điều khiển, giả lập biến trạng thái và giao thức điều khiển theo tiêu chuẩn IEC 61850 Các dữ liệu sẽ có đầy đủ các thuộc tính như cảnh báo ALARM, lưu trữ cảnh báo History cho việc truy cập trong tương lai

 Cấu hình hệ thống làm việc với điều kiện không có các kết nối thật và cơ sở

dữ liệu thật Xây dựng cơ sở dữ liệu ảo dùng chung cho mục đích điều khiển

tại chỗ và điều khiển xa qua trung tâm vận hành xa hoặc trung tâm giám sát quản lý thao tác xa Cơ sở dữ liệu có thể kết nối qua giao thức Client/Server

từ đó có thể ứng dụng để xây dựng nhóm thực hành chung hay cấu hình một phòng thực hành thí nghiệm

 Xây dựng các công cụ hỗ trợ để thực hiện giả lập các tình huống thao tác hoặc các chức năng bảo vệ, giám sát của hệ thống điều khiển máy tính Các giả lập đơn giản, dễ thực hiện và chỉnh sửa nhưng vẫn tác động chính xác theo các quy định thực tế

 Phân quyền thao tác và điều khiển cho hệ thống theo quy định vận hành thật; đồng thời xây dựng hệ thống phân quyền cho chức năng quản lý giám sát và thao tác để phù hợp với hoạt động đào tạo, kiểm tra vận hành viên

CHƯƠNG 3: TRẠM BIẾN ÁP ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP THEO TIÊU CHUẨN IEC 61850

Trạm biến áp (TBA) là thành phần không thể thiếu trong lưới điện truyền tải và phân phối Cùng với sự ra đời và phát triển lâu năm, hệ thống điều khiển (HTĐK) cho TBA có những bước phát triển khác nhau phù hợp với công nghệ và kỹ thuật trong mỗi giai đoạn Chương này sẽ trình bày các giai đoạn phát triển của hệ thống điều khiển TBA từ HTĐK kiểu truyền thống đến HTĐK tích hợp và đặc biệt là HTĐK tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850, phân tích các ưu điểm và nhược điểm của từng HTĐK kể trên

Phần này cũng chú trọng công nghệ tự động hóa TBA sử dụng HTĐK tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850 đang được phát triển nhanh trên thế giới và Việt Nam Phân tích và so sánh các giao thức truyền thông sử dụng trong các HTĐK tích hợp khác nhau đặc biệt là các giao thức của tiêu chuẩn IEC 61850 để thấy được tính ưu việt của tiêu chuẩn nay Những phân tích trên sẽ giúp lựa chọn mô hình HTĐK và xây dựng cơ sở dữ liệu ảo cho quá trình mô phỏng

3.1 Quá trình phát triển hệ thống điều khiển trạm biến áp

Để một TBA hoạt động an toàn và chính xác, HTĐK là một thành phần cực kỳ quan trong Tùy theo trình độ công nghệ, yêu cầu sử dụng và mức đầu tư mà HTĐK được thiết kế xây dựng khác nhau Dù là hệ thống khác nhau nhưng cơ bản có thể phân biệt hai kiểu HTĐK TBA là kiểu truyền thống và kiểu tích hợp Khi công nghệ tích hợp được áp dụng cho HTĐK TBA, theo sự phát triển của kỷ thuật điện tử và công nghệ thông tin có thể chia thành hai cấu hình là HTĐK tích hợp TBA theo tiêu chuẩn IEC 61850 và không theo tiêu chuẩn này

Bảng 3.1 sẽ cho thấy những đặc điểm cơ bản khác nhau của 3 HTĐK kể trên trước khi phân tích các ưu nhược điểm cụ thể từng HTĐK

- Điều khiển bằng tay đơn giản từ phòng

điều khiển hay tại thiết bị

- Điều khiển bằng máy tính từ phòng điều khiển

- Điều khiển bằng máy tính hoặc tự động điều khiển

- Bảo vệ bằng rơ le đơn giản, chức năng

riêng biệt

- Bảo vệ bằng rơ le nhiều chức năng có cỗng truyền thông nhưng không thể phối hợp bảo vệ qua cỗng truyền thông

- Bảo vệ bằng rơ le nhiều chức năng có thể phối hợp bảo vệ trực tiếp với nhau qua cỗng truyền thông theo tiêu chuẩn IEC 61850

- Liên động bằng tiếp điểm cơ khí và

dây dẫn trong mạch nhị thứ

- Liên động bằng tiếp điểm cơ khí và dây dẫn trong mạch nhị thứ, có thể tính toán liên động mềm trên máy tính và thông báo lỗi thao tác

- Liên động qua mạng truyền thông giữa các ngăn lộ và toàn trạm, có thể tự tính toán liên động mềm không qua hệ thống máy tính, tự động báo và lưu lỗi lô gic

- Giám sát bằng bảng đèn cảnh báo và

chuông còi, lưu cảnh báo bằng tay

- Cảnh báo bằng máy tính, có thể lưu cảnh báo trong máy tính

- Cảnh báo bằng máy tính, có thể lưu cảnh báo trong máy tính hay tại thiết bị

- Ghi nhận thông số vận hành bằng tay - Tự động cập nhật thông số vận hành và

lưu

- Tự động cập nhật thông số vận hành, lưu và tính toán thời gian thực

máy tính Gateway

3.1.1 Hệ thống điều khiển TBA kiểu truyền thống

Trạm biến áp trong hệ thống điện có nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng Cấu trúc của một trạm biến áp (TBA) được xây dựng bao gồm các thiết bị nhất thứ chính như: máy biến áp (MBA), máy cắt (MC), dao cách lý (DTĐ), dao tiếp địa (DTĐ), tụ bù và hệ thống điều khiển được lắp đặt nhằm giám sát, điều khiển và bảo vệ các thiết bị nhất thứ để dảm bảo TBA hoạt động an toàn

Hệ thống điều khiển TBA kiểu truyền thống đã được thiết kế và lắp đặt trong TBA từ hàng trăm năm nay, đặc điểm cơ bản là hệ thống bao gồm các thiết bị cơ điện

và điện tử được kết nối với nhau bằng các mạch điện đơn giản để thực hiện các chức năng cơ bản như:

 Chức năng điều khiển tại trạm: được thực hiện bởi các mạch điều khiển riêng

lẻ và chỉ có thể thực hiện được ở mức điều khiển cơ bản như đóng/mở thiết bị, bật/tắt chức năng thông qua các nút nhấn hoặc khóa vặn lắp trên tủ điều khiển [3]

 Chức năng bảo vệ: được thực hiện bởi các rơ le bảo vệ kiểu cơ hoặc kiểu tĩnh Các rơ le chỉ thực hiện các chức năng bảo vệ như bảo vệ quá dòng F50/51,

rơ le bảo vệ khoảng cách F21, bảo vệ điện áp 27/59; phối hợp chức năng bảo

vệ giữa các rơ le qua dây dẫn và tiếp điểm cơ khí

 Chức năng liên động: được thực hiện qua cáp điều khiển bằng cách gửi các tiếp điểm cơ khí để cho phép hoặc cấm thao tác các thiết bị khác liên quan

 Chức năng đo lường: được thực hiện bằng các thiết bị hiển thị và được ghi nhận bằng tay bỡi các nhân viên vận hành

 Chức năng giám sát: được thực hiện bằng các bảng đèn báo, thiết bị chỉ thị; được ghi nhận bằng tay và lưu bằng giấy; ghi sự cố bằng bộ ghi sự cố lắp rời

 Chức năng điều khiển SCADA: thực hiện qua các tủ RTU gồm các rơ le trung gian và các bộ chuyển đổi tín hiệu Analog/Digital

Hệ thống điều khiển truyền thống mặc dù có những ưu điểm như: Dễ thiết kế, chi phí thấp, người vận hành có khả năng tự vận hành và bảo trì hệ thống vì đơn giản,

việc kết nối giữa các thiết bị trong cùng hệ thống đơn giản qua cáp tín hiệu… Tuy nhiên, hiện nay hệ thống này có những nhược điểm như sau:

 Hệ thống có quá nhiều thiết bị, quá nhiều cáp tín hiệu, dẫn đến khả năng bị sự

 Việc bảo trì và nâng cấp hệ thống rất khó khăn, mất nhiều thời gian

 Thời gian thao tác chậm, khả năng nhầm lẫn cao do thao tác bằng tay, dẫn đến giảm độ tin cậy và tăng thời gian mất điện khi xảy ra sự cố

PHÒNG VẬN HÀNH TẠI TBA

TỦ ĐẤU DÂY TRUNG GIAN

THIẾT BỊ NHẤT THỨ 3

TỦ ĐẤU DÂY TRUNG GIAN GỬI TRẠNG THÁI/ NHẬN LỆNH

NGĂN 2

LIÊN ĐỘNG QUA CÁP ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ NHẤT THỨ 1

THIẾT BỊ NHẤT THỨ 2

THIẾT BỊ NHẤT THỨ 3 GỬI TRẠNG THÁI/ NHẬN LỆNH

TỦ ĐIỀU KHIỂN

(NÚT NHẤN/ĐÈN/

KHÓA VẶN)

TỦ BẢO VỆ (RL1, RL2…)

GỬI TRẠNG THÁI/ NHẬN LỆNH GỬI TRẠNG THÁI/ NHẬN LỆNH

TỦ ĐO LƯỜNG

LIÊN ĐỘNG GIỮA CÁC NGĂN

TỦ ĐIỀU KHIỂN (NÚT NHẤN/ĐÈN/

KHÓA VẶN)

TỦ BẢO VỆ (RL1, RL2…)

THIẾT BỊ ĐO DÒNG ĐIỆN CT THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN ÁP VT

THIẾT BỊ ĐO KHÁC (NHIỆT ĐỘ…)

Hình 3.1: Hệ thống điều khiển TBA kiểu truyền thống

Trong tình hình hiện nay, trước nhu cầu phải gia tăng chất lượng cung cấp điện, giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp điện, đồng thời do độ phức tạp của sơ đồ lưới điện ngày một gia tăng đòi hỏi các thao tác điều khiển ngày càng phức tạp, khả năng đáp ứng các yêu cầu trên của hệ thống điều khiển kiểu truyền thống là không thể thực hiện được

3.1.2 Hệ thống điều khiển tích hợp TBA không theo tiêu chuẩn IEC 61850

Hệ thống điều khiển tích hợp TBA là sản phẩm ra đời mới nhất đã thể hiện tính

ưu việt trong việc quản lý, vận hành TBA Hệ thống điều khiển tích hợp TBA là hệ thống điều khiển dựa trên cơ sở một hệ thống máy tính và những giao thức kết nối dữ liệu từ máy tính đến thiết bị được áp dụng tại các TBA trong hệ thống điện nhằm điều khiển, giám sát tự động các thiết bị trong trạm và tích hợp các dữ liệu thu được vào chung một hệ thống để phục vụ cho công tác quản lý vận hành trạm

Tuy nhiên HTĐK tích hợp TBA cũng có nhưng khác biệt khi sử dụng các giao thức khác nhau trong trao đổi dữ liệu và giao tiếp giữa các thiết bị Vào những năm

1990, các TBA bắt đầu sử dụng các rơ le số (rơ le điện tử và rơ le kỹ thuật số) để thay thế cho các rơ le cơ điện và rơ le tĩnh, các rơ le số này dựa trên nền tảng của các bộ

vi xử lý và kỹ thuật điện tử có những chức năng vượt trội so với các loại rơ le thế hệ trước đó, đó là cơ sở để xây dựng những TBA tích hợp có những tính năng vượt trội

so với HTĐK kiểu truyền thống như:

 Chức năng điều khiển: ngoài khả năng điều khiển bằng tay bắt buộc trong trường hợp khẩn cấp, HTĐK tích hợp được trang bị hệ thống máy tính với giao diện HMI để thực hiện thao tác xa từ phòng điều khiển Tuy nhiên các thao tác này được thực hiện thông quá các bộ lập trình lô gic (PLC) và các rơ

 Chức năng liên động: vẫn phải dùng các tiếp điểm cơ khí để thực hiện, chỉ có các cảnh báo lô gic mềm trên hệ thống máy tính tránh thao tác nhầm, tuy nhiên vẫn không quản lý chắc chắn liên động thực tế của thiết bị

 Chức năng đo lường: được thực hiện bằng các thiết bị đo lường có trang bị các cỗng truyền thông, từ đó cho phép thu thập các thông số đo lường về hệ thống máy tính có thể được tự lưu trữ

 Chức năng giám sát: thực hiện bằng các Input (đầu vào) của thiết bị giám sát,

từ đó kết nối về hệ thống máy tính để cảnh báo lên HMI và lưu thành các file lưu trữ

 Chức năng điều khiển SCADA: trong trạm tích hợp kiểu cũ vẫn được điều khiển xa từ hệ thống SCADA qua các tủ RTU, chưa thể kết nối trực tiếp hệ thống máy tính và hệ thống SCADA vì các hạn chế về giao thức truyền thông

Với sự giúp đỡ của hệ thống máy tính và những công nghệ truyền thông đã giải phóng được quá trình vận hành, ghi nhận thông số, báo cáo bằng tay cho vận hành viên, tuy nhiên các HTĐK tích hợp khi chưa có tiêu chuẩn IEC 61850 vẫn còn nhiều hạn chế như:

 Cấu hình TBA vẫn nhiều cáp điều khiển làm chức năng điều khiển, liên động

và phối hợp bảo vệ

 Khả năng của thiết bị số còn nhiều hạn chế do giới hạn về tốc độ và sức mạnh của bộ xử lý và bộ nhớ vì chỉ thực hiện các thuật toán đơn giản và không yêu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao

 Khả năng truyền dữ liệu bị hạn chế do chưa có một chuẩn thống nhất trong giao thức truyền dữ liệu giữa các rơ le do các hãng khác nhau chế tạo, điều này làm cho không thể kết nối giữa các rơ le khác nhau trong cùng một trạm biến áp, nếu chúng do các hãng khác nhau chế tạo và giữa các TBA với nhau trong một hệ thống điện

 Để điều khiển thiết bị cần các bộ điều khiển lô gic như PLC hoặc RTU với tính năng làm I/O đơn giản

Việc tích hợp dữ liệu thu được từ các thiết bị số trong TBA là không thực hiện được Các TBA nếu được tự động hóa thì cũng trở thành một “ốc đảo” tự động hóa,

do không có khả năng liên kết về thông tin với nhau, chúng chỉ có khả năng vận hành độc lập

TỦ ĐẤU DÂY TRUNG GIAN

THIẾT BỊ NHẤT

THỨ 1

THIẾT BỊ NHẤT THỨ 2

THIẾT BỊ NHẤT

THỨ 3

TỦ ĐẤU DÂY TRUNG GIAN

TỦ ĐIỀU KHIỂN

(NÚT NHẤN/ĐÈN/

KHÓA VẶN)

TỦ BẢO VỆ (RL1, RL2…)

TỦ ĐO LƯỜNG (ĐỒNG HỒ HIỂN THỊ)

Cáp ĐK

TỦ ĐIỀU KHIỂN (NÚT NHẤN/ĐÈN/ KHÓA VẶN)

TỦ BẢO VỆ (RL1, RL2…)

THIẾT BỊ ĐO DÒNG ĐIỆN CT

THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN ÁP VT

THIẾT BỊ ĐO KHÁC (NHIỆT

Modbus, DNP

Modbus, DNP

Cáp ĐK PHÒNG ĐIỀU KHIỂN

NGĂN 1

THIẾT BỊ NHẤT THỨ 1

THIẾT BỊ NHẤT THỨ 2

THIẾT BỊ NHẤT THỨ 3

NGĂN 2 Cáp ĐK

Cáp ĐK

LIÊN ĐỘNG MỨC NGĂN LIÊN ĐỘNG MỨC NGĂN

LIÊN ĐỘNG LIÊN NGĂN

3.1.3 Hệ thống điều khiển tích hợp TBA theo tiêu chuẩn IEC 61850

Với sự ra đời của truyền thông tốc độ cao với giao thức TCP/IP và các vi xử lý thuật toán tốc độ cao, bộ nhớ lớn tích hợp trong các thiết bị điện tử thông minh (Intelligent Electronic Devices- IEDs) là cơ sở để áp dụng tiêu chuẩn IEC 61850 trong HTĐK tích hợp TBA Với tốc độ truyền dữ liệu cao lên đến GB/s qua đường truyền cáp quang, đường truyền TCP/IP Ethernet đáp ứng tốt độ tin cậy, tốc độ truyền cho các yêu cầu vận hành tự động TBA Áp dụng tiêu chuẩn IEC 61850 cho HTĐK tích hợp TBA sẽ có những đặc điểm sau:

 Chức năng điều khiển: tiêu chuẩn IEC 61850 cho phép điều khiển thiết bị từ máy tính qua giao diện HMI tại trạm và từ các trung tâm điều khiển xa qua mạng WAN; ngoài ra thiết bị có thể tự động điều khiển nhờ khả năng tính toán nhanh với các thuật toán thông minh của IEDs để tối ưu hệ thống Quá trình điều khiển thực hiện qua việc quản lý trực tiếp thiết bị của IEDs đo đó không cần kéo hệ thống cáp điều khiển đi xa

 Chức năng bảo vệ: được thực hiện trên các IEDs với khả năng đảm nhiệm nhiều chức năng khác nhau cùng một lúc, các IEDs còn có khả năng phối hợp bảo vệ qua các giao thức được quy định chặc chẽ của tiêu chuẩn IEC 61850

từ đó giảm thiểu hệ thống cáp điều khiển

 Chức năng liên động: không còn dùng các tiếp điểm cơ khí và cáp điều khiển, thay vào đó là các thiết bị IEDs sẽ trao đổi với nhau theo những giao thức đồng cấp (peer-to-peer), từ đó làm chức năng liên động cho ngăn lộ và cho toàn bộ thiết bị trong trạm

 Chức năng đo lường và giám sát: được tích hợp trong các thiết bị IEDs, các thông số đo lường và quá trình giám sát vận hành có thể được truyền về máy tính hoặc xa hơn cho các trung tâm điều khiển xa Ngoài ra các thiết bị IEDs còn có chức năng ghi nhận và lưu dữ liệu trong bộ nhớ phục vụ truy xuất trong tương lai

 Chức năng điều khiển SCADA: chức năng điều khiển từ xa từ các trung tâm giám sát vận hành xa được thực hiện thông qua mạng WAN tốc độ cao sử

dụng chính hệ thống máy tính Gateway tại TBA sẽ tăng tốc độ và độ tin cậy cho quá trình điều khiển xa

Với những tính năng vượt trội khi áp dung tiêu chuẩn IEC 61850 cho HTĐK tích hợp TBA như nâng cao khả năng tự động hóa hoàn toàn TBA, tăng tốc độ điều khiển, thu thập thông số, quản lý vận hành xa tin cậy cao Tuy nhiên cũng có nhiều khó khăn khi áp dụng HTĐK tích hợp TBA theo tiêu chuẩn IEC 61850 như sau:

 Thiết bị nhất thứ phải được điều khiển bằng động cơ hoàn toàn với độ tin cậy cao sẽ làm tăng chi phí đầu tư ban đầu hoặc chi phí nâng cấp các TBA kiểu

cũ lên theo tiêu chuẩn IEC 61850

 Thiết bị IEDs có giá thành cao, có thể tích hợp nhiều chức năng bảo vệ, đo lường giám sát Tuy nhiên đầu tư thiết bị IEDs đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn

 Đầu tư các thiết bị chuyển đổi cho mạng LAN và WAN như Switch, router làm tăng chi phí đầu tư thiết bị

 Đòi hỏi đào tạo vận hành viên và kỹ thuật viên trình độ cao để quản lý vận hành hệ thống có công nghệ tích hợp phức tạp

Với xu hướng phát triển chung của công nghệ, HTĐK tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850 sẽ là lựa chọn tối ưu cho công nghệ tự động hóa TBA và rộng hơn là tự động hóa hệ thống điện

THIẾT BỊ NHẤT THỨ 2

THIẾT BỊ NHẤT THỨ 3

LOGICAL NODE 1

LOGICAL NODE 2

LOGICAL NODE 3

Hình 3.3: Hệ thống điều khiển tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 61850

3.2 Các giao thức truyền thông trong trạm biến áp

Rất nhiều các giao thức truyền thông được sử dụng trong việc giám sát điều khiển

xa TBA, các giao thức phổ biến bao gồm Modbus, UCA 2.0, DNP3 và IEC 60870- 5- 101 Giao thức mới nhất là giao thức theo tiêu chuẩn IEC 61850 đã giúp cho HTĐK tích hợp TBA có những bước phát triển khác nhau

3.2.1 Giáo thức Modbus

Giao thức này được phát triển vào năm 1979 cho các hệ thống điều khiển quá trình Modbus là một giao thức ứng dụng mở Master/Slave có thể được sử dụng trên nhiều lớp vật lý khác nhau Nó cung cấp truyền thông Client/Server giữa các thiết bị thuộc nhiều loại khác nhau nhưng được kết nối chung nhóm hoặc chung hệ thống

Modbus TCP/IP có ý nghĩa là giao thức Modbus được sử dụng trên Ethernet TCP/IP [3]

Hình 3.4: Mô hình kết nối Modbus TCP/IP

Nhược điểm của giao thức này chính là khoảng cách kết nối và tốc độ truyền dữ liệu thấp Vì vậy không thể đáp ứng được các yêu cầu về dữ liệu thời gian thực

3.2.2 Giao thức mạng phân phối (DNP- Distributed Network Protocol)

Giao thức này được phát triển dựa trên IEC 60870-5, được công bố vào năm 1993 Ban đầu được thiết kế cho hệ thống SCADA, nhưng sau này nó có ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp điện, nước, dầu và khí đốt Giao thức này là dựa trên cấu trúc Master/Slave được dùng phổ biến chủ yếu ở Bắc Mỹ Trong TBA giao thức này

sử dụng để xác định các thông tin liên lạc giữa trung tâm với các trạm thành viên, giữa các bộ điều khiển xa (Remote Terminal Unit- RTU) với các IEDs Phương thức truyền thông sử dụng cáp RS232 cho giao tiếp khoảng cách ngắn point-to-point và giao tiếp từ xa RS422 hai chiều mở rộng đến RS232 hay RS485 cho truyền thông đa điểm và hơn nữa là Ethernet cho khu vực địa lý lớn hơn [3]

3.2.3 Giao thức IEC 60870-5-101

Hiện nay, hầu hết hệ thống SCADA của hệ thống điện ở Việt Nam đều sử dụng giao thức truyền thông IEC60870-5-101 cho giải pháp truyền thông từ các điểm nút điều khiển kết nối với hệ thống SCADA Về cơ bản giao thức IEC60870-5-101 đáp ứng được yêu cầu về tín hiệu giám sát điều khiển đo lường theo thời gian thực cho các đối tượng điều khiển Tuy nhiên, với đặc điểm kết nối theo giao diện truyền thông nối tiếp (serial), giao thức truyền thông IEC60870-5-101 có nhiều hạn chế trong việc thiết lập các kênh truyền thông vật lý, đồng thời khó khăn trong việc mở rộng điểm kết nối trên hệ thống [4]

Hình 3.5: Mô hình giao thức IEC 870-5-101 3.2.4 Sự ra đời giao thức IEC 61850

Với việc giới thiệu các giao thức tốc độ cao hơn trong các IEDs chỉ cho phép liên lạc thông tin giữa các thiết bị giống nhau hoặc nói cách khác thông tin liên lạc giữa các thiết bị từ cùng một nhà sản xuất Để giao tiếp một loạt các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau, cùng chia sẻ các tiện ích với nhiều khả năng như: bảo vệ, giám sát

và tự động hóa… cần phải sử dụng một bộ biến đổi hoặc cổng giao thức Hơn nữa, các giao thức của các IEDs cũng hạn chế khả năng về tốc độ, chức năng và các dịch

vụ về kỹ thuật cũng khó khăn hơn, chi phí vận hành và bảo dưỡng cũng tăng lên Một giao thức không độc quyền, tiêu chuẩn và tốc độ cao cung cấp các dịch vụ hữu hiệu là sự cần thiết cho phép một hệ thống thông tin của TBA được tích hợp mạnh mẽ mà không phải dùng các bộ biến đổi giao thức Việc giới thiệu dự án tiêu chuẩn IEC 61850 và Cấu trúc truyền thông tiện ích UCA (Utility Communications Architecture) đã tạo ra cơ hội có thể để tích hợp các IEDs của các hãng khác nhau thông qua việc tiêu chuẩn hóa

UCA được đề nghị bởi EPRI vào năm 1994 để xác định những yêu cầu về cấu trúc tổng thể và các kỹ thuật truyền thông cơ bản trong trạm, mục tiêu là tiếp cận thông qua các yêu cầu kỹ thuật về giám sát và điều khiển trong trạm biến áp Hội đồng kỹ thuật 57 – (Technical Committee 57) của IEC bắt đầu với dự án IEC 61850 vào năm 1996 với cùng mực tiêu như UCA Năm 1997 EPRI và IEC đã thống nhất một mục tiêu chung IEC 61850 làm nền tảng và được hỗ trợ thêm một vài đặc tính của UCA [5]

Hình 3.6: Quá trình hợp nhất giữa UCA và IEC

Sự ra đời của phiên bản IEC 61850 chuẩn năm 2003 cho quá trình tự động hóa các trạm đã chứng tỏ một bước lớn hướng đến việc đơn giản hóa quá trình ứng dụng những thiết bị IEDs Phiên bản này đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị và đáp ứng được yêu cầu thay thế những giao thức có dạng khác nhau trong lĩnh vực ứng dụng tự động hóa

IEC 61850 dựa trên yêu cầu và cơ hội về sự phát triển giao thức truyền thông tiêu chuẩn để cho phép khả năng tương tác của các IEDs từ các nhà sản xuất khác nhau

Các hệ thống tiện ích cũng yêu cầu khả năng liên kết thay đổi của các IEDs, đó là khả năng thay thế một thiết bị được cung cấp bởi một nhà sản xuất này với một thiết bị được cung cấp bởi một nhà sản xuất khác, mà không làm thay đổi các yếu tố khác trong hệ thống

Một trong những tính năng quan trọng nhất của IEC 61850 là không những chỉ giao tiếp thông tin mà còn thể hiện đặc tính chất lượng của các công cụ kỹ thuật, biện pháp quản lý chất lượng và quản lý cấu hình Điều này là cần thiết vì khi các hệ thống tiện ích đang có kế hoạch xây dựng một hệ thống tự động hóa TBA với ý định kết hợp các thiết bị điện tử thông minh từ các nhà cung cấp khác nhau, họ mong đợi không chỉ là khả năng tương tác của các chức năng và các thiết bị mà còn là một hệ thống xử lý đồng nhất và tin cậy

Sự xuất hiện của IEC 61850 đánh dấu một bước tiến quan trọng và sẽ có ảnh hưởng rất lớn về tương lại trong việc thiết kế và xây dựng các trạm biến áp

Hình 3.7: Mô hình dự án IEC 61850

CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN TIÊU CHUẨN IEC 61850

Chương này sẽ trình bày tổng quan về tiêu chuẩn IEC 61850 bao gồm phân tích các thành phần cấu trúc, cách thức trao đổi dữ liệu, yêu cầu về thiết bị phần cứng và kết nối Việc phân tích và nắm rõ các thành phần, các quy định và mô hình trao đổi

dữ liệu của tiêu chuẩn giúp việc xây dựng mô hình bám sát với yêu cầu thiết kế thực

tế, giúp quá trình thực hành, giảng dạy thêm sinh động và dễ hiểu

4.1 Giới thiệu về tiêu chuẩn IEC 61850

Tiêu chuẩn IEC 61850 được ban hành như là tiêu chuẩn truyền thông toàn cầu mới cho TBA Tiêu chuẩn này bao gồm mười bốn phần, phần cuối cùng được ban hành vào năm 2005 Sau đó IEC 61850 đã được áp dụng rộng rãi trong các trạm điều khiển tích hợp trên toàn thế giới Tiêu chuẩn IEC 61850 là tiêu chuẩn duy nhất Tập đoàn Điện lực Việt Nam bắt buộc sử dụng trong TBA tích hợp và tự động hóa tại các TBA xây dựng mới từ năm 2002

Tiêu chuẩn này có mục tiêu là đạt được sự tương thích giữa các IEDs bên trong TBA bằng cách định nghĩa mô hình đối tượng theo tiêu chuẩn cho các IEDs và thực hiện các chức năng khác trong trạm như: bảo vệ, điều khiển, đo lường và giám sát truyền thông trong trạm Đồng thời, nó có khả năng cung cấp các ứng dụng bảo vệ và điều khiển phân tán, chức năng liên động và giám sát phức tạp Và cuối cùng là đạt được chuẩn hóa về ngôn ngữ truyền thông cho phép tự do trao đổi thông tin giữa các thiết bị trong trạm

Mục đích chính của tiêu chuẩn IEC 61850 là kết hợp tất cả các chức năng như bảo vệ, điều khiển, đo lường và kiểm tra các thiết bị ngoại vi nhằm cung cấp đầy đủ phương tiện cho các ứng dụng bảo vệ của thiết bị ngoại vi với tốc độ cao, giúp cho các thiết bị này hoạt động ăn khớp với nhau hoặc phối hợp các chức năng bảo vệ Những thiết bị này thông thường là các thiết bị điện tử thông minh (Intelligent Electronic Devices – IEDs) Sử dụng tiêu chuẩn IEC 61850 để đưa ra liên kết lô gic giữa các thiết bị ngoại vi, các thiết bị điều khiển và các thiết bị trung gian trong quá

trình kết nối Tiêu chuẩn IEC 61850 tách rời từng loại dữ liệu từ thông tin chi tiết thành từng lớp khác nhau trong quá trình trao đổi dữ liệu

Một trong những mục tiêu quan trọng của IEC 61850 là kết hợp các IEDs từ các nhà cung cấp khác nhau, tạo ra chuẩn truyền thông đồng nhất giữa các thiết bị và toàn

hệ thống

Khi áp dụng IEC 61850 vào tự động hoá TBA sẽ mang lại những ưu điểm như sau:

 Có thể điều khiển, giám sát tại chỗ hoặc từ xa toàn bộ hệ thống trạm qua giao diện đồ họa giúp giảm được chi phí vận hành

 Tăng độ tin cậy và an toàn cung cấp điện do nhiều chức năng như liên động hay lựa chọn trước khi thao tác được tích hợp vào hệ thống

 Các dữ liệu được phân loại, ưu tiên xử lý và đưa ra các cảnh báo kịp thời, giúp cho người vận hành xử lý nhanh chóng, giảm thiểu được thời gian mất điện

 Các thông tin được cung cấp theo thời gian thực, các sự kiện, sự cố được hiển thị, báo cáo, ghi nhận và có thể được in ra, giúp cho việc phân tích các nhiễu loạn của hệ thống dễ dàng, nhanh chóng và chính xác hơn

 Giảm được chi phí bảo dưỡng do theo dõi được tình trạng của thiết bị nhất thứ như máy cắt, máy biến áp…

 Các chức năng liên động, điều khiển và bảo vệ được truyền qua mạng truyền thông tốc độ cao do đó giảm được chi phí lắp đặt cáp nhị thứ

Tuy nhiên với những yêu cầu về thiết bị và giao thức truyền dữ liệu, áp dụng tiêu chuẩn IEC 61850 trong hệ thống điều khiển tích hợp TBA sẽ gặp một số khó khăn sau:

 Các thiết bị nhất thứ như MC, DCL, DTĐ…là các thiết bị có cơ cấu điều khiển bằng động cơ, với đầy đủ các chức năng tự giám sát tình trạng hoạt động do

đó tăng chi phí đầu tư thiết bị nhất thứ

 Các thiết bị trong hệ thống điều khiển, bảo vệ là các IEDs hỗ trợ tiêu chuẩn IEC 61850 sẽ có giá thành cao hơn các rơ le bảo vệ thông thường

 Hệ thống cần trang bị các thiết bị trung gian như Switch kết nối mạng LAN, WAN

4.2 Các thành phần trong mô hình IEC 61850

Tiêu chuẩn IEC 61850 được hiểu thông qua những mô hình và cơ chế trao đổi thông tin; các cơ chế trao đổi thông tin chủ yếu dựa trên các mô hình thông tin được định nghĩa sẵn Những mô hình thông tin và phương pháp mô hình hóa được xem là nền tảng của tiêu chuẩn

Trong tiêu chuẩn việc xác định các thông tin và trao đổi thông tin được thực hiện một cách độc lập và cụ thể (sử dụng các mô hình trừu tượng) Tiêu chuẩn này cũng

sử dụng khái niệm ảo Khái niệm ảo cung cấp một cái nhìn những khía cạnh của một thiết bị thực tế liên quan đến việc trao đổi thông tin với các thiết bị khác Chỉ ra những chi tiết được yêu cầu để cung cấp khả năng tương đồng của các thiết bị được định nghĩa trong IEC 61850

4.2.1 Mô tả thông tin dữ liệu và trao đổi thông tin trong nút lô gic (Logical LN)

Node-4.2.1.1 Mô tả thông tin dữ liệu LN

Cách tiếp cận của tiêu chuẩn là việc chia nhỏ các chức năng ứng dụng vào các phần nhỏ hơn, được sử dụng để trao đổi thông tin Những phần nhỏ này được gọi là

các LN, ví dụ, đại diện ảo của một máy cắt, với tên tiêu chuẩn hoá là XCBR Một số

các LN được xây dựng dựa trên thiết bị lô gic (Logical Device- LD), ví dụ, đại diện của một ngăn (BAY) Một LD luôn luôn được thực hiện trong một IED, do đó các

LD được phân phối hợp lý

Những LN có thể đáp ứng từ một đến 30 dữ liệu cho việc cấu hình Dữ liệu

có thể chứa một hoặc nhiều hơn 20 thuộc tính Các LN có thể chứa hơn 100 thông tin cá nhân được tổ chức trong một cấu trúc theo thứ bậc Nội dung của LN mô tả cho các dữ liệu và thuộc tính dữ liệu như giới thiệu trong hình 4.1

Hình 4.1: Mô tả loại thông tin trong LN

Mỗi một LN bao gồm rất nhiều các dữ liệu khác nhau, ví dụ vị trí của máy cắt

được định nghĩa bằng XCBR Hình 4.1) có tên là “Pos” Số dữ liệu trung bình của mỗi LN được định nghĩa trong phần 7.4 của tiêu chuẩn IEC 61850 là khoảng 20 dữ

liệu, và mỗi dữ liệu lại được tạo thành từ nhiều thuộc tích và được phân loại như giới thiệu trong hình 4.2

Hình 4.2: Mô tả thông tin vị trí máy cắt dạng cấu trúc hình cây

Ví dụ, dữ liệu Pos có khoảng 20 thuộc tính dữ liệu Thuộc tính dữ liệu Pos.ctlVal

đại diện cho các thông tin điều khiển (có thể được thiết lập để ON hoặc OFF) Thuộc

tính dữ liệu Pos.stVal đại diện cho vị trí thực của máy cắt (có thể là trạng thái trung

gian, tắt, mở, hay trạng thái nguy hiểm)

Vị trí này còn có thông tin khi xử lý lệnh điều khiển (Operate time), từ lệnh điều khiển, và số lần kiểm soát (do người tạo ra yêu cầu)

Các giá trị hiện tại từ stVal được đọc, báo cáo hoặc đăng nhập trong một bộ đệm của IEDs Các giá trị về stVal có thể được điều khiển từ xa và có hiệu lực ngay lập

tức sau khi được tác động

Các thuộc tính dữ liệu được tiêu chuẩn hóa về tên và loại Ví dụ, như máy cắt

XCBR1, các thông số đo lường MMXU1…

4.2.1.2 Trao đổi thông tin trong LN

Các LN, dữ liệu và các thuộc tính dữ liệu được xác định nhằm ứng dụng cho việc trao đổi thông tin giữa các IEDs Việc trao đổi thông tin được xác định bởi các dịch

vụ (service) Một đoạn trích của các dịch vụ được giới thiệu trong hình 4.3

Hình 4.3: Mô hình trích ngắn của một đoạn dịch vụ trong LN

Các dịch vụ về thuộc tính dữ liệu cho máy cắt XCBR được mô tả như sau:

 Thiết bị điều khiển (hoạt động dịch vụ hoặc truyền các tín hiệu) (1)

 Trao đổi thông tin đồng cấp (peer-to-peer) trạng thái nhanh và tin cậy (2)

 Báo cáo của bất kỳ tập hợp dữ liệu (thuộc tính dữ liệu) (3)

 Đăng nhập và lấy bất kỳ tập hợp dữ liệu (thuộc tính dữ liệu) – theo chu kỳ và kích hoạt sự kiện (4)

 Thay thế (5)

 Xử lý và thiết lập các nhóm thông số cài đặt

 Truyền tải các giá trị lấy mẫu từ các cảm biến