Các giải pháp tích hợp hệ thống SCADA sử dụng các chuẩn truyền tin công nghiệp và vấn đề khai thác hệ thống thông tin SCADA DMS trong tính toán điều khiển hệ thống điện

Các giải pháp tích hợp hệ thống SCADA sử dụng các chuẩn truyền tin công nghiệp và vấn đề khai thác hệ thống thông tin SCADA DMS trong tính toán điều khiển hệ thống điện Các giải pháp tích hợp hệ thống SCADA sử dụng các chuẩn truyền tin công nghiệp và vấn đề khai thác hệ thống thông tin SCADA DMS trong tính toán điều khiển hệ thống điện luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

******************

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÁC GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNG SCADA SỬ DỤNG CÁC CHUẨN TRUYỀN TIN CÔNG NGHIỆP VÀ VẤN ĐỀ KHAI THÁC

HỆ THỐNG THÔNG TIN SCADA/DMS TRONG TÍNH TOÁN

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ:

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống điện Việt Nam hiện đang trong giai đoạn phát triển rất nhanh Đi đôi với sự phát triển vượt bặc của công nghệ thông tin và truyền thông, nghành điện cũng đang không ngừng từng bước hiện đại hoá, bằng chứng là

sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống quản lý năng lượng như SCADA, DMS, EMS Một thực tế cho thấy hiện nay các giải pháp tích hợp hệ thống SCADA/DMS chưa tận dụng được ưu thế của các chuẩn truyền thông công nghiệp và thông tin dữ liệu nhận về từ hệ thống SCADA/DMS vẫn chưa đuợc khai thác ứng dụng hiệu quả vào công tác điều hành, tự động hoá lưới điện

Để góp phần giải quyết những tồn tại nêu trên, luận văn này tập trung nghiên cứu với nội dung: “Các giải pháp tích hợp hệ thống SCADA sử dụng các chuẩn truyền tin công nghiệp và vấn đề khai thác hệ thống thông tin SCADA/DMS trong tính toán điều khiển nhanh 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 TS Đinh Quang Huy, 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

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1.5 Điểm mới của luận văn

1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn

1.7 Bố cục của luận văn

Chương 2 Hệ thống SCADA và các ứng dụng quản lý, điều khiển

2.2 Tìm hiểu về ứng dụng SCADA trong hệ thống điện 12

2.2.1 Các chức năng của hệ thống SCADA 12 2.2.2 Cấu trúc của một hệ thống SCADA 18 2.2.3 Vấn đề tích hợp thông tin trong hệ thống SCADA 25

Chương 3 Mạng thông tin trong hệ thống điện và các giao thức

truy ền thông công nghiệp

26

3.1 Các kênh thông tin liên lạc trong hệ thống điện 26

khiển

41

Chương 4 Các giải pháp tích hợp hệ thống SCADA cho trạm biến áp 44

4.1 Thông tin trong trạm biến áp và yêu cầu của hệ thống tích hợp 44

4.1.1 Thông tin cơ bản trong vận hành trạm biến áp 45 4.1.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống tích hợp trạm 47 4.1.3 Giới hạn chức năng của công nghệ truyền thống và

hiện đại

48

4.2 Tích hợp SCADA cho trạm biến áp sử dụng RTU 50

4.2.1 Tích hợp SCADA sử dụng RTU với các kết nối truyền

4.3.1 Cấu trúc của trạm điều khiển máy tính 57 4.3.2 Giao tiếp giữa các thiết bị IEDs với Server tại trạm 59 4.3.3 Giao tiếp giữa các Server tại trạm với trung tâm 62 4.3.4 Ưu nhược điểm của giải pháp 63

Chương 5 Áp dụng tích hợp hệ thống SCADA cho trạm biến áp

E1.17 B ắc Thăng Long

65

5.3 Kết quả thực hiện phương án tích hợp SCADA tại trạm E1.17

và khả năng mở rộng áp dụng

69

Chương 6 Khai thác hệ thống tin SCADA/DMS tính toán điều khiển

l ưới phân phối

6.6 Nghiên cứu xây dựng thử nghiệm hệ thống tự động phân đoạn

và khôi phục sự cố trên đường dây lộ 477 E1.8 Bờ Hồ đi lộ

486 E1.9 Nghĩa Đô

99

DANH M ỤC CÁC THUẬT NGỮ

DA Distribution Automation Hệ thống tự động phân phối

DC District Control Center Trung tâm điều khiển cấp điện lực DMS Distribution Management System Hệ thống quản lý phân phối

EMS Energy Management System Hệ thống quản lý năng lượng GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

HMI Human Machine Interface Giao diện người máy

ICCP Inter-Control Center Communication Protocol

IEDs Intelligent Electronic Devices Thiết bị điện tử thông minh

ISO International Organization for Standardization

LAN Local Area Network Mạng nội bộ

NC National Control Center Trung tâm điều khiển cấp quốc gia PLC Power Line Carrier Tải ba

RC Regional Control Center Trung tâm điều khiển cấp miền RTU Remote Terminal Units Thiết bị đầu cuối

SAS Substation Automation System Hệ thống tự động hóa trạm biến áp SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

SOE Sequence Of Event Chuỗi sự kiện

STP Shielded Twisted Pair Cáp đôi dây xoắn có bọc kim TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

UHF Ultra High Frequency Dải tần số cực cao

UTP Unshielded Twisted Pair Cáp đôi dây xoắn không bọc kim VHF Very High Frequency Dải tần số cao

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 5.1 Bảng dữ liệu Measurands cấu hình cho COM 615 và trung tâm 68

theo phương án khôi phục

109

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 3.11 Các giao thức truyền tin giữa trạm và trung tâm điều khiển 42

Hình 4.5 Sơ đồ minh hoạ mạch chỉ thị vị trí máy cắt, dao tiếp địa 52

tự động và có hệ thống SCADA

77

Hình 6.10 Phân vùng hệ thống trong tính toán song song 89

TÀI LI ỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

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 Mohamahh: Communication and control in electric power system IEEE

Arpil 2002

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

12 Allen Risley, Jeff Roberts, Peter Ladow: Electronic security of

Power Delivery Automation Conference, Arpil 2003

1

-CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay trang bị hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu từ xa (SCADA) là yêu cầu bắt buộc với tất cả các trạm 110kV trở lên trên lưới điện Việt Nam Hệ thống điều khiển trạm và SCADA hiện nay được yêu cầu đặt ra rất cấp thiết nhưng khả năng lựa chọn giải pháp cũng như chi phí cho việc thiết kế, cấu hình tích hợp hệ thống hiện còn rất cao và phụ thuộc vào nguồn chất xám ở ngoài nước

Các giải pháp tích hợp hệ thống tự động hóa trạm nói chung và hệ thống SCADA nói riêng thực tế hiện nay vẫn chưa khai thác được các chuẩn truyền thông công nhiệp, đặc biệt là tại các trạm biến áp sử dụng các thiết bị bảo vệ (IEDs) của nhiều nhà sản xuất khác nhau Các giải pháp tích hợp vẫn dựa trên các phương pháp kết nối truyền thống gây lãng phí và khó khăn trong bảo dưỡng, vận hành hệ thống

Thông tin thu thập được từ hệ thống SCADA là một nguồn dữ liệu rất thuận lợi cho công tác vận hành và tính toán, tự động điều khiển hệ thống nhưng chưa được nghiên cứu khai thác

Xuất phát từ những lý do nêu trên, để từng bước hiện đại hóa hệ thống điện, các nghiên cứu về các chuẩn truyền tin, các giải pháp tích hợp hệ thống điều khiển dựa trên các chuẩn truyền tin và vấn đề khai thác hệ thống thông tin SCADA/DMS để phục vụ mục đích tính toán tự động hóa lưới điện là hết sức cần thiết

2

-1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

Xuất phát từ thực tế yêu cầu đặt ra, luận tập trung thực hiện những mục tiêu

- Các giải pháp tích hợp hệ thống SCADA cho các trạm biến áp Áp dụng tích hợp hệ thống SCADA cho trạm E1.17 Bắc Thăng Long

- Khai thác hệ thống thông tin SCADA/DMS trong tính toán, điều khiển tự động hệ thống lưới điện phân phối Áp dụng triển khai cho tuyến đường dây 477 E8 Bờ Hồ đi 486 E9 Nghĩa Đô

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu trong luận văn này dựa trên các tài liệu giảng dạy của ngành điện tại các trường đại học, các tạp chí khoa học và các công trình nghiên cứu thạc sĩ, tiến sĩ khoa học trong và ngoài nước Phạm vi nghiên cứu xoay quanh các giải pháp tích hợp hệ thống SCADA và vấn để khai thác hệ thống thông tin trong hệ thống SCADA/DMS trong tính toán điều khiển hệ thống điện

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các chuẩn truyền tin và đưa ra giải pháp tích hợp SCADA cho các trạm biến áp

- Sử dụng hệ thống phần mềm SCADA tại trung tâm Điều độ Hệ thống điện Hà Nội để thực các nghiên cứu tính toán điều khiển tự động các thiết bị trên lưới

3

-1.5 Điểm mới của luận văn

- Khai thác các chuẩn truyền tin trong ứng dụng tích hợp hệ thống thông tin, điều khiển

- Ứng dụng hệ thống thông tin và số liệu tính toán hiệu năng cao trong

hệ thống SCADA để thực thi các bài toán điều khiển nhanh trong hệ thống điện

1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn

Luận văn đã đề cập đến ứng dụng SCADA trong hệ thống điện và xu thế phát triển của hệ thống SCADA/DMS Dựa vào các nghiên cứu về chuẩn truyền tin để đưa ra các giải pháp tích hợp hệ thống SCADA cho các trạm biến áp trong điều kiện các thiết bị sử dụng của các nhà sản xuất khác nhau,

hỗ trợ các chuẩn truyền thông khác nhau

Vấn đề khai thác cơ sở dữ liệu, thông tin trong hệ thống SCADA/DMS hiện đang rất được quan tâm Việc ứng dụng hệ thống thông tin và số liệu tính toán hiệu năng cao trong hệ thống SCADA để thực thi các bài toán điều khiển nhanh trong hệ thống điện có ý nghĩa rất lớn trong việc tự động hóa lưới điện

và nâng cao chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện

1.7 Bố cục của luận văn

Luận văn được trình bày trong 7 chương

Chương 1: Giới thiệu luận văn

Chương 2: Hệ thống SCADA và các ứng dụng quản lý, điều khiển trong hệ

thống điện

Chương 3: Mạng thông tin trong hệ thống điện và các giao thức truyền

thông công nghiệp

Chương 4: Các giải pháp tích hợp hệ thống SCADA cho trạm biến áp

Chương 7: Kết luận, kiến nghị

Các phụ lục và tài liệu tham khảo

5

-CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG SCADA VÀ CÁC ỨNG DỤNG QUẢN LÝ

ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1.1 Vai trò và mô hình của hệ thống thông tin trong hệ thống điện

Trong hệ thống điện có rất nhiều các thiết bị đã gần đạt hoặc vượt quá vòng đời làm việc của mình 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 Còn "IEDs"

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 bản ghi sự cố Việc giám sát và chuẩn đoán hoạt động các thiết bị hiện nay mới chỉ được xem xét một cách định kỳ mà rất ít khi được cập nhật tự

động (automatic) Nếu phát hiện ra 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

6

-hành một cách chủ quan mà không quan tâm tới tình 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 tình trạng vận hành như giá trị đo lường, trạng thái hay các tham số của các thiết bị như tình 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) Hiện nay nguồn dữ liệu

này chưa được khai thác triệt để cho mục đích vận hành hệ thống điện

Ta nhận thấy rằng 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 đòi 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

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,

7

-chức năng giám sát (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 dòng 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 nhãn 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 vì dữ liệu sẽ cung cấp các thông tin về việc gì đã 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 kì này sẽ cho phép theo dõi một cách tức thời diễn biến của hệ thống Dữ liệu cũng có thể được tích lũy theo thời gian, căn 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 trình hoạt động của thiết bị trong hệ thống điện để phục vụ cho việc phân tích

8

-Thông tin có thể là tổng số lần hoạt động, tần suất sử dụng, dòng điện cắt của máy cắt Thêm nữa, các quá trình tự kiểm tra trong nội tại IEDs cũng tạo ra nguồn thông tin về chính quá trình 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 nhãn 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 lý hóa và nâng cao thiết kế hệ thống Thêm vào đó, việc các giá trị được lưu giữ một cách định kỳ còn giúp cho việc định hướng và phát hiện các nguyên nhân hư hỏng thiết bị và các cấu hình không hợp lý Thường thì 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 trình từ xa Những báo cáo này có thể có dung lượng rất lớn và đòi hỏi một khoảng thời gian không nhỏ để truyền tải

Dữ liệu cài đặt

Dữ liệu cài đặt được sử dụng để cấu hình cho phần mềm của các IEDs nhằm

9

-thực hiện các chức năng tối ưu hóa cho các chương trình 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 dòng hay là giá trị trở kháng của đường dây

2.1.2 Các hệ thống quản lý mạng (Network Manager)

2.1.2.1 Khái niệm chung

Các hệ thống quản lý mạng trong Hệ thống điện cung cấp những nền tảng

cơ sở cho việc xây dựng các hệ thống quản lý và điều khiển các quá trình của

hệ thống điện Có thể kể đến: Hệ thống quản lý Năng lượng EMS (Energy

(Supervisory Control And Data Acquisition)

Hệ thống quản lý mạng cung cấp khả năng điều khiển trải rộng trên tất cả các quá trình sản xuất, truyền tải và mạng lưới phân phối điện năng Các hệ thống quản lý SCADA/EMS/DMS có mặt trong hầu hết các trung tâm điều khiển Nó cho phép các trung tâm điều khiển kết nối liên lạc với các trung tâm máy tính khác đồng thời tích hợp các máy tính để phục vụ điều khiển tại các nhà máy điện, trạm biến áp Việc tích hợp giữa các hệ thống như vậy khiến cho việc truy nhập và tìm kiếm dữ liệu cần thiết trở nên hết sức nhanh chóng

và dễ dàng Do đó có thể giúp cho hệ thống điện được vận hành an toàn và tối

ưu hoá

2.1.2.2 Hệ thống quản lý năng lượng EMS

Hệ thống EMS cho phép thực hiện nhiệm vụ tối ưu hoá hệ thống phân phối năng lượng, giảm thiểu chi phí hoạt động đồng thời vẫn duy trì được mức độ

10

-an toàn và bảo mật Chức năng của một hệ thống EMS bao gồm: Decision Support; Lập kế hoạch phát và Điều khiển; Giám sát hệ thống và Đánh giá độ

an toàn; Nâng cao hoạt động của hệ thống dựa trên việc tối ưu hoá trào lưu

công suất Nó cũng cung cấp cả khả năng dự báo theo yêu cầu

2.1.2 3 Hệ thống điều khiển giám sát SCADA

Hệ thống SCADA là hệ thống giám sát điều khiển và thu nhập dữ liệu Chức năng thu nhập dữ liệu cung cấp khả năng tích hợp một cách linh hoạt với việc điều khiển các phần tử của hệ thống điện, tạo mối liên kết với các thiết bị đầu cuối RTUs và các trung tâm điều khiển tại trạm Chức năng giám

sát (Monitoring and Event Processing) phân loại các trạng thái của các phần

tử trong hệ thống Chức năng điều khiển bao gồm có các lệnh On/Off, điều khiển và thiết lập các giá trị đặt Chức năng liên động được kết hợp với chức năng điều khiển cho phép tối ưu hoá và tăng độ an toàn Chức năng lưu trữ (Archiving) cung cấp cho người sử dụng khả năng lưu trữ được các dữ liệu của hệ thống Nhân viên điều hành có thể tạo ra các báo cáo dưới dạng các biểu đồ hoặc thực hiện các chương trình tính toán dựa trên các dữ liệu đã được lưu này

Các giao diện người máy HMI (Human Machine Interface) cho phép nhân viên điều hành có thể quan sát được toàn bộ hệ thống với các công cụ hết sức quen thuộc của máy tính như chuột, bàn phím, loa… Kết quả là sẽ nâng cao được khả năng tương tác với hệ thống

2.1 2.4 Hệ thống quản lý phân phối DMS

Hệ thống DMS (Distribution Management System) cung cấp cho người vận

hành khả năng phân tích đối với lưới điện phân phối Nó căn cứ vào các biểu

đồ phụ tải để thể hiện các trạng thái của hệ thống Tính toán trào lưu công suất cho phép đánh giá được giá trị điện áp và dòng công suất chạy qua mỗi đường dây Chức năng Outage Management và Service Restoration cho phép

11

-quản lý và thông báo chính xác vị trí nơi đang xảy ra sự cố và nơi đang có hoạt động sửa chữa Chức năng quản lý phụ tải tạo điều kiện thuận lợi cho việc san bằng đồ thị phụ tải Chức năng đo lường từ xa làm cho các hoạt động

đo lường được tiến hành thường xuyên với độ chính xác cao hơn

2.1.2.5 Hệ thống tự động phân phối DA (Distribution Automation)

Khái niệm hệ thống tự động phân phối DA là một khái niệm chung để chỉ cho tất cả các hệ thống tự động, điều hành phân phối cũng như bao trùm tất cả các chức năng từ bảo vệ cho đến SCADA và kết hợp với các ứng dụng của công nghệ thông tin (IT) DA cho phép kết hợp tự động hoá tại chỗ, điều khiển từ xa đối với các phần tử trong hệ thống điện và ra các quyết định nhằm nâng cao tính linh hoạt và hoạt động có hiệu quả của hệ thống điện phân phối Trên thực tế, với khái niệm DA có hai khái niệm riêng biệt vẫn được sử dụng trong công nghiệp nói chung và hệ thống điện nói riêng

Hệ thống DA thường đi kèm với hệ thống DMS và bao gồm các thiết bị có khả năng điều khiển từ xa tại các trạm biến áp và mức lộ đường dây (ví dụ máy cắt, tủ RMU, Reclosers ), hệ thống tự động phân phối tại các thiết bị này và cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc Một hệ thống tự động phân phối có thể

chia ra thành hai lĩnh vực đó là: Tự động hoá trạm SA (Substation

SA giám sát và điều khiển tự động hoá trong nội bộ một trạm biến áp trong khi đó FA đảm nhiệm với các thiết bị ở ngoài trạm, như các máy cắt, trạm khách hàng (cấp điện áp trung và hạ) khi chúng được đặt dưới quyền điều khiển từ xa

12

-2.2 TÌM HIỂU VỀ ỨNG DỤNG SCADA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2 2.1 Các chức năng của một hệ thống SCADA

Thông thường một hệ thống SCADA trong hệ thống điện có các chức năng tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể của một dự án Tuy nhiên những chức năng

cơ bản và mang tính phổ biến bao gồm những chức năng sau:

2.2.1.1 Chức năng thu nhập dữ liệu (Data acquisition)

Với SCADA, những thông tin cơ bản của hệ thống tại các khâu sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng được thu nhập bởi các thiết bị đặt tại hiện trường và các thiết bị điều khiển được đặt tại các trung tâm điều khiển Dữ liệu cũng có thể là truy nhập bằng tay hoặc được tính toán và đều được coi như là dữ liệu được tự động thu nhập Ví dụ như kỹ sư điều hành có thể nhập

dữ liệu mà không cần phải có các thiết bị thu nhập sau khi đã nhận được thông tin từ các nguồn khác như là điện thoại, fax hoặc là các dạng báo cáo khác

S1

S2 E1

RTU

kWh

A

If S1=ON then E1 = ON Else E1 = OFF

`

13

-2.2.1.2 Chức năng chỉ thị trạng thái (Status indications)

Trạng thái của các thiết bị tại hiện trường, tín hiệu cảnh báo và các loại tín hiệu khác được gọi là các chỉ thị trạng thái Các tín hiệu chỉ thị trạng thái này được kết nối đến các board kỹ thuật số đầu vào (digital input) của các RTU Thông thường có cả loại tín hiệu một bit (single bit) và tín hiệu 2 bit (double bit) Cũng có những trường hợp người ta dùng 3 bit để chỉ thị trạng thái nếu

có hiện tượng Đóng-Mở-Đóng liên tiếp xảy ra, ví dụ như khi máy cắt tự động

`

Data Engineering

2.2.1.3 Chức năng đo lường

Các giá trị đo lường của các loại tín hiệu đầu vào khác nhau được thu nhập bởi các RTU Thường có hai loại giá trị đo lường chủ yếu là:

- Giá trị tương tự (analog), được biến đổi thông qua các bộ biến đổi tương tự/Số (A/D) để chuyển đổi thành dạng số

- Giá trị đo lường dạng số

Các giá trị dạng số sẽ được truyền về trung tâm điều khiển trong mỗi một chu kỳ quét của RTU đối với các board analog đầu vào Các giá trị đo này còn phải được can chỉnh lại trước khi được hiển thị phục vụ cho công tác điều hành hay dùng cho các ứng dụng tính toán khác Việc can chỉnh các giá trị đo

14

-analog, thường dưới dạng tuyến tính nhưng đôi khi cả dưới dạng phi tuyến, được thực hiện bởi một thiết bị tiền xử lý đặt tại trung tâm điều khiển Trong một số trường hợp, các giá trị đo lường này được lưu vào cơ sở dữ liệu của hệ thống sau đó mới được can chỉnh khi chúng được truy suất để phục vụ cho một ứng dụng nào đó

Các giá trị đo lường được phục vụ để thiết lập các báo dưới dạng các đồ thị Ví dụ như biểu đồ công suất, dòng điện của các lộ đường dây trong ngày Ngoài ra, các giá trị đo lường cũng thường được kết hợp với các thuật toán khác nhau để thực hiện các phép ngoại suy, ví dụ phục vụ cho việc dự báo phụ tải cho công tác điều độ

2.2.1.4 Chức năng giám sát và báo cáo (Reports)

Với SCADA, các dữ liệu quá trình thu nhập được sẽ thường xuyên được giám sát tự động để đảm bảo các thông số hệ thống như điện áp, dòng điện… nằm trong phạm vi cho phép Các giá trị đo lường được giám sát để phục vụ cho việc báo cáo cũng như thiết lập các bản ghi phục vụ cho việc phân tích sự

cố Còn các giá trị chỉ thị trạng thái được giám sát để theo dõi kịp mọi sự thay đổi của hệ thống, đôi khi chúng được gán nhãn thời gian bởi các RTU Các sự thay đổi trạng thái và giá trị đo lường này sẽ được tổng hợp thành các báo cáo

15

-để phục vụ cho việc điều hành hệ thống điện

Các báo cáo được lập theo định kỳ hoặc theo yêu cầu Thông thường có các loại báo cáo như sau:

• Báo cáo dữ liệu quá khứ (Historical data report)

• Báo cáo in ra các đồ thị (Plotting of curver)

• Báo cáo về trạng thái (Status report)

• Báo cáo về đo lường (Measurement reports)

h

35 40 75 90 P

20 25 56 72 Q

1 2 3 4 . A+B-C*D/E=F171

171-1 171-7

Chức năng tính toán

Cơ sở

dữ liệu

Giá trị tính toán

Sơ đồ một sợi Báo cáo Tính toán thời gian thực

Tín hiệu đầu vào

Giám sát trạng thái

Mỗi một trạng thái chỉ thị của các phần tử sẽ được so sánh với các giá trị

16

-trước đó đã được lưu trong cơ sở dữ liệu (của hệ thống SCADA) Các trạng thái này thường được đối chiếu với trạng thái chuẩn hay là trạng thái thông thường, từ đó có thể cung cấp cho các kỹ sư điều hành các cảnh báo về trạng thái bất bình thường của hệ thống Những cảnh báo này có thể được đặt một

độ trễ về thời gian trong khoảng vài giây Điều này là rất có ích trong việc ngăn chặn những tín hiệu cảnh báo thoáng qua hay trong trường hợp thiết bị chỉ tạm thời ở trong trạng thái trung gian Ví dụ việc tạo ra một độ trễ về thời gian như vậy giúp cho việc phát hiện trạng thái tự động đóng lại bằng cách kết hợp trạng thái của máy cắt với tín hiệu trạng thái từ mạch Auto Recloser Trong trường hợp máy cắt đóng lại thành công thì tín hiệu cảnh báo sẽ được ngăn chặn

Giám sát giới hạn đo lường

Mỗi giá trị đo lường thường được giám sát và so sánh với giá trị giới hạn Các giá trị giới hạn này có thể được xác định theo các cách khác nhau tuỳ thuộc vào các điểm đo và có thể được thay đổi bởi người điều hành hệ thống thông qua các giao diện người-máy Khi các giá trị giới hạn được thay đổi từ

xa, các giá trị mới sẽ được truyền đến các RTU tại trạm thông qua các kênh liên lạc SCADA

2 2.1.5 Chức năng điều khiển (Control)

Chức năng điều khiển được phân ra làm bốn nhóm chính: Điều khiển các thiết

bị riêng biệt, thông báo điều khiển, dãy điều khiển, điều khiển tự động

Điều khiển các thiết bị riêng biệt

Chức năng này thực hiện các lệnh ON/OFF, START/STOP hoặc TRIP/CLOSE để điều khiển các thiết bị như máy phát điện, máy cắt, dao cách

ly, dao tiếp địa…

Thông báo điều khiển

Việc truyền các thông báo để điều khiển các thiết bị bao gồm có chức năng

17

-TĂNG/GIẢM và điều chỉnh các giá trị đặt (Set point)

Ví dụ như kỹ sư điều hành có thể phát ra các lệnh tăng hoặc giảm nấc của các máy biến áp Còn với chức năng điều chỉnh giá trị đặt, kỹ sư điều hành có thể gửi một giá trị đặt mới đến RTU Giá trị mới này sẽ được kiểm tra với giới hạn đã được định trước để tránh trường hợp nhập vào một giá trị bất bình thường Sau khi đã được chấp nhận, các RTU sẽ có các phản hồi đối với các thông báo điều chỉnh đã được phát ra

Chuỗi điều khiển

Chuỗi điều khiển có nghĩa là chức năng thực hiện một loạt các lệnh điều khiển riêng biệt có tương quan với nhau Chức năng chuỗi điều khiển được thiết kế nhằm cho phép thực hiện các lệnh điều khiển theo một nhiệm vụ nào

đó đã được định trước, bao gồm có cả việc kiểm tra logic và độ trễ về thời gian Thông thường, kỹ sư điều hành chỉ cần phát ra một lệnh điều khiển để khởi động cho một chuỗi điều khiển

Chuỗi điều khiển có thể được dùng trong các trường hợp:

• Đóng/Cắt một lộ đường dây vào thanh cái với một chuỗi các lệnh điều khiển đối với máy cắt và dao cách ly

• Khôi phục phương thức của một thanh cái

• Một loạt các lệnh Đóng/Cắt đối với máy cắt để điều khiển san tải hoặc khôi phục phụ tải sau sự cố …

Tự động điều khiển

Chức năng tự động điều khiển của hệ thống SCADA thường được thực hiện dưới dạng một vòng lặp khép kín

2.2.1.6 Chức năng tính toán (Caculator)

Hệ thống SCADA thường có các chức năng tính toán các thông số cần thiết trên cơ sở các thông số đo được như:

• Công suất (tác dụng và phản kháng)

18

-• Dòng điện

• Hệ số công suất

Công việc tính toán được thực hiện theo thời gian thực và theo chu kỳ

2 2.2 Cấu trúc của một hệ thống SCADA

2.2.2.1 Phần cứng trung tâm (Master Station Hardware)

Một hệ thống phần cứng trung tâm được xây dựng xung quanh một mạng

cục bộ LAN (Local Area Network) Mạng LAN được gọi là mạng LAN thời gian thực (real-time LAN), đơn hoặc kép để nhằm tạo cấu trúc dự phòng

Máy tính chủ (Server )

Phần cứng trung tâm thường bao gồm một số máy tính chủ (Server) Các

Server kết nối tới mạng LAN và hoạt động một cách độc lập Thông thường, các Server trong một hệ thống SCADA đều áp dụng chung một công nghệ và các tiêu chuẩn, các phần mềm hệ thống cũng sử dụng các tiêu chuẩn này Vì vậy mà các chương trình ứng dụng có thể luân chuyển giữa các server một

cách dễ dàng

Mỗi server có thể được cấu hình bởi một, hai hoặc thậm chí là ba máy tính

Số lượng này tuỳ thuộc vào các chức năng áp dụng cho SCADA cũng như yêu cầu về khả năng hoạt động của server Mỗi máy tính chủ này được nối tới

cả hai mạng LAN và có thể hoạt động ở chế độ Online hay Standby Các server có nhiệm vụ chủ yếu sau:

• Yêu cầu các RTU gửi thông tin về hệ thống điện

• Yêu cầu các RTU thực hiện các lệnh đóng, cắt các thiết bị của hệ thống điện

• Yêu cầu các RTU chuẩn thời gian theo đồng hồ hệ thống

• Tạo giao tiếp người máy dưới dạng đồ họa, tạo giao diện để nhân viên vận hành có thể giao tiếp thuận lợi trên máy tính

19

-• Trên cơ sở thông tin thu được từ RTU, tiến hành lưu trữ, in ấn, đưa ra các cảnh báo và lập các báo cáo theo yêu cầu đã lập ra trên cơ sở dữ liệu …

Các trạm công tác (Workstations)

Trong hệ thống SCADA thường có nhiều hơn một trạm công tác Đây thực chất là các máy tính được nối trực tiếp vào mạng LAN của trung tâm điều khiển và thực hiện các chức năng của SCADA thông qua các phần mềm ứng dụng

Các trạm điều hành với các màn hình hiển thị các thông số và chế độ vận hành của hệ thống điện, cho phép nhân viên vận hành theo dõi, giám sát và thực hiện các lệnh điều khiển Trạm lập trình bảo dưỡng với các phần mềm thu nhập dữ liệu (Data Engineering) cho phép cập nhật các thay đổi của hệ thống cũng như thực hiện các chương trình ứng dụng

Thiết bị tiền xử lý (Front-end processor)

Các thiết bị tiền xử lý tạo ra một giao diện liên lạc giữa các RTUs tại trạm với các chương trình phần mềm ứng dụng trong các server tại trung tâm điều khiển Trong một số trường hợp, các thiết bị tiền xử lý còn có thể được sử dụng như một cổng giao tiếp với hệ thống tự động hoá trạm (Substation Automation) hay hoạt động độc lập như một bộ chuyển đổi giao thức

Các thiết bị tiền xử lý cũng thường có cấu trúc dự phòng, hay là cấu trúc kép Điều này cho phép các kênh liên lạc giữa trạm và trung tâm điều khiển tự động chuyển mạch trong trường hợp có xảy ra hỏng hóc ở thiết bị tiền xử lý

Mạng nội bộ (Local Area Network)

Như đã nói ở trên, phần cứng trung tâm được xây dựng quanh mạng LAN Việc sử dụng các giao thức chuẩn như TCP/IP, Ethernet cung cấp khả năng kết nối giữa các máy tính (máy chủ và các trạm công tác) và các thiết bị ngoại

vi khác

20

Mạng LAN làm việc với tốc độ cao, thường là 100 Mbps, sử dụng các kết nối và đường truyền vật lý công nghiệp phổ biến Mạng LAN có thể là mạng đơn, cũng có thể là mạng kép nếu có yêu cầu Việc di rời các thiết bị trong mạng, về mặt vật lý cũng như về mặt logic, và mở rộng mạng không làm gián đoạn hoạt động của các thiết bị trên mạng

Router

Mạng LAN tại trung tâm điều khiển thường được trang bị sẵn router giành cho việc kết nối ra bên ngoài với các trung tâm điều khiển khác Các kết nối này được thực hiện bởi giao thức ELCOM (IEC 870-6) và giao thức ICCP (Inter-Control Center Communication Protocol)

2.2.2.2 Thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit)

Nhiệm vụ chính của một RTU trong hệ thống SCADA là đảm nhiệm các ứng dụng điều khiển từ xa Một RTU thường cung cấp đầy đủ các chức năng cần thiết cho việc xử lý các tín hiệu Cụ thể là:

+ Tín hiệu số:

• Gán nhãn thời gian cho tất cả các sự kiện xảy ra

• Nhóm các sự kiện với sự kiện khởi đầu được gán nhãn

• Xử lý tín hiệu kép (double indications) và lệnh kép (double commands)

• Kiểm tra các rơle trung gian cho các lệnh đầu ra

+ Tín hiệu tương tự

• Giám sát “dải chết” của tín hiệu (dead band)

• Kiểm tra Zero (với các transducer có đầu ra trong dải 4÷20mA)

• Giám sát các giá trị ngưỡng

Một RTU thế hệ mới phải cho phép liên lạc được với các cấp khác nhau trong hệ thống, cũng như với các RTU cấp dưới, các thiết bị điện tử thông minh IEDs, hay là với các hệ thống kiểm tra và chuẩn đoán khác Điều này

là thiết bị tiến xử lý), trước khi được kết nối tới Modem Một vài trung tâm điều khiển nhỏ có thể kết hợp thiết bị xử lý đầu cuối với máy tính chủ

Cấu trúc kiểu điểm - điểm (poin to point) như hình 2.5 là đơn giản nhất tuy

nhiên lại có chi phí tương đối tốn kém do việc phải sử dụng một kênh truyền cũng như các thiết bị thông tin liên lạc riêng biệt cho mỗi một đối tượng

RTU

Trạm lập trình bảo dưỡng Máy tính chủ

Trạm điều hành

Thiết bị xử lý đầu - cuối

22

Trong cấu trúc kiểu nối tiếp (series), các RTUs hoặc thiết bị hiện trường có

thể chia sẻ cùng một kênh liên lạc Nhưng điều đó sẽ làm ảnh hưởng đến hiệu quả cũng như tính linh hoạt trong hoạt động của hệ thống SCADA

Modem Modem

RTU Modem

Modem

RTU Trạm lập trình bảo dưỡng

Máy tính chủ

Trạm điều hành

Thiết bị xử lý đầu - cuối

Hình 2.6 Cấu trúc kết nối kiểu nối tiếp

Với cấu trúc sao - nối tiếp, một vài kênh liên lạc có thể được tập trung vào một RTU Còn trong cấu trúc kiểu điểm - nhiều điểm trung tâm điều khiển sẽ được kết nối tới nhiều hơn một RTUs bởi một đường dẫn chung Ở đây, nhờ

có một bộ đổi nối mà hai hay nhiều RTU có thể dùng chung một modem

Hình 2.7 Cấu trúc kết nối sao-nối tiếp

Máy tính chủ

Trạm điều hành

Thiết bị xử lý đầu - cuối

Bộ đổi nối

Trên đây chỉ là những cấu trúc mang tính cơ bản Trên thực tế, với một hệ thống SCADA, cấu trúc mạng có thể phức tạp hơn

b Kênh thông tin liên lạc

Kênh liên lạc chính là đường dẫn để hai đối tượng có thể trao đổi thông tin

và dữ liệu Các kênh thông tin liên lạc điển hình được sử dụng trong SCADA

có thể là các kênh thuê bao (leased line), các kênh điện thoại quay số (dial-up

Một hệ thống SCADA có thể sử dụng hai (hoặc nhiều hơn nữa) kênh thông tin liên lạc nhằm mục đích cung cấp khả năng dự phòng trong trường hợp kênh liên lạc chính bị hỏng Cũng có hệ thống SCADA sử dụng cả cấu trúc dự phòng đối với trung tâm điều khiển Trong trường hợp trung tâm điều khiển chính gặp hỏng hóc, trung tâm dự phòng sẽ nắm quyền kiểm soát hệ thống bởi nó vẫn luôn được cập nhật thông tin về các đối tượng như là trung tâm chính Khi trung tâm dự phòng hoạt động ở chế độ “lắng nghe” (listen), nó sẽ tiếp nhận tất cả các thông tin trao đổi theo cả hai chiều Nếu không tự động nhận được lượng thông tin này, nó sẽ phải thực hiện các lệnh quét để cập nhật

cơ sở dữ liệu của các đối tượng trạm (nhà máy điện, trạm biến áp )

WAN Card Dailup Modem

Máy tính chủ

Tbị xử lý đầu cuối

Truy nhập

từ xa

Cáp liên lạc

Mạng điện thoại công cộng

Sóng viba

Đài thu/phát

Vệ tinh

Mạng điện thoại công cộng

Khoá chuyển mạch Trạm điều hành

Hình vẽ 2.9 mô tả một số kênh thông tin liên lạc sử dụng trong hệ thống SCADA Các RTUs được đặt tại các trạm (có thể là nhà máy điện, trạm biến

áp truyền tải, phân phối ) Mỗi trung tâm điều khiển có thể được xây dựng với cấu trúc sao cho thiết bị xử lý đầu cuối có thể kết nối thông qua modem hoặc là qua một card WAN nếu hệ thống thông tin liên lạc của SCADA thực

hiện trên mạng diện rộng WAN (Wide Area Network) Một máy tính truy

nhập từ xa có thể kết nối tới hệ thống thông qua mạng WAN, hoặc là thông

qua mạng điện thoại công cộng PTN (Public telephone network) với việc sử dụng modem quay số (dail-up modem)

25

-2.2.3 Vấn đề tích hợp thông tin trong hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA hiện nay được tích hợp vẫn dựa nhiều vào phương pháp tích hợp truyền thống Phương pháp này sử dụng nhiều dây dẫn và mạch tín hiệu ở cấp thông tin giữa RTU với các thiết bị trường nên thường làm phức tạp hệ thống điều khiển tại trạm và gặp nhiều khó khăn trong vận hành, sửa chữa

Các giao thức truyền thông công nghiệp hiện đang được sử dụng để khắc phục những nhược điểm trên, tuy nhiên hiện nay chưa có một chuẩn truyền thông thống nhất cho phép tích hợp các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau vào cùng một hệ thống Do vậy để tích hợp được các hệ thống điều khiển trạm trong đó có hệ thống SCADA thì cần phải có sự nghiên cứu về các chuẩn truyền tin công nhiệp để khai thác từng lợi thế của các chuẩn trong quá trình đưa ra các giải pháp tích hợp

cơ sở cho việc tìm hiểu, nghiên cứu các hệ thống thông tin và chuẩn truyền tin

ở các chương tiếp theo

26

-CHƯƠNG 3

GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

3.1 CÁC KÊNH THÔNG TIN LIÊN LẠC 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 Để đáp ứng nhu cầu thông tin trong

hệ thống điện, hiện nay có rất nhiều kênh truyền dẫn, nhưng nhìn chung trong

hệ thống điện người ta đang sử dụng các loại kênh truyền tín hiệu sau đây:

• Cáp quang: Sử dụng các hệ thống cáp sợi thủy tinh

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 hệ thống thông tin quang hiện nay đang được sử dụng phổ biến và có nhiều ưu điểm

3.1.1 Cáp thông tin

3.1.1 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

27

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

của cả cáp thì STP còn có thêm một lớp che chắn riêng cho từng đôi dây, như hình vẽ 3.1

Hình 3.1 Cáp đôi dây xoắn kiểu STP và UTP

3.1.1 2 Cáp đồng trục (Coaxial Cable)

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

Vỏ bọc PVC Lớp dẫn ngoài

28

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 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

3 1.2 Kênh liên lạc cáp quang

3.1.2 1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cáp quang

• Cấu tạo

Một sợi cáp quang bao gồm một sợi lõi, một lớp bọc và một lớp vỏ bảo vệ

như trên hình vẽ 3.3 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

Hình 3.3 Cấu tạo cáp quang

29

-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:

) ( arctgn

Hình 3.4 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