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

Nghiên cứu hệ thống Scada và các ứng dụng của thông tin và giao thức thông tin trong đo lường điều khiển hệ thống điện Nghiên cứu hệ thống Scada và các ứng dụng của thông tin và giao thức thông tin trong đo lường điều khiển hệ thống điện luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG SCADA VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA THÔNG TIN VÀ GIAO THỨC THÔNG TIN TRONG ĐO LƯỜNG

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

LỜI NÓI ĐẦU

Mục tiêu phát triển hệ thống điện hiện đại nằm trong xu thế chung của sự phát triển khoa học kỹ thuật và kinh tế, nhằm thỏa mãn đòi hỏi ngày càng cao của xã hội phản ánh những tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, đáp ứng các nhu cầu đa dạng của xã hội và môi trường, và hướng tới thị trường điện cạnh tranh trong tương lai

Hệ thống điện Việt Nam đang trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ, được thừa hưởng những thành tựu của khoa học kỹ thuật công nghệ mới, tiên tiến nhất trong việc xây dựng và phát triển mới, sẽ bỏ qua sự được những chi phí nghiên cứu thử nghiệm mà các nước khác đã trải qua Vì thế việc ứng dụng những kỹ thuật mới vào hệ thống điện nói chung, hệ thống điều độ thông tin nói riêng sẽ góp phần xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập hiện đại

Bản luận văn này, với nội dung chính là “Nghiên cứu hệ thống SCADA

và ứng dụng hệ thống thông tin, giao thức thông tin trong đo lường giám sát và điều khiển hệ thống điện” phục vụ cho công tác điều độ thông tin

được thể hiện trong 5 chương

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 Phan Đăng Khải, các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện – ĐHBKHN

đã truyền thụ kiến thức và phương pháp nghiên cứu khoa học

Xin được cảm ơn Điện lực Đống Đa, 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 học tập cũng như thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn tới muốn cảm ơn Trung tâm đào tạo sau đại học - Đại học Bách Khoa Hà Nội vì sự giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt khoá học này Cuối cùng, tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, các chuyên gia trong lĩnh vực SCADA và các bạn bè đồng nghiệp

Hà Nội 11/2006

Cao Thành Chung

Chương 1 Những vấn đề chung về hệ thống thống điện lực và ứng

dụng ở điện lực Việt Nam

1

1.1.1 Đáp ứng nhu cầu thông tin vận hành của các trung tâm

điều độ

2

2.1.3 Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn 28

Cấu trúc bus

2.2.2 Cấu trúc mạch vòng 33

Chương 4 Thiết kế hệ thống SCADA/DMS điện lực Hà Nội 68

Trung tâm điều độ thông tin điện lực Hà Nội

4.1.3 Thực trạng các trạm ≥110kV do ĐL Hà Nội quản lý 70

Chương 5 Thiết kế kết nối rơ le trạm E25 với hệ thống SCADA/DMS 106

5.2.2 Bảo vệ so lệch thanh cái, bảo vệ so lệch máy biến áp 107

5.4.2 Thiết kế hệ thống SCADA theo phương án sử dụng kết

nối qua hệ thống giao thức truyền thông

119

Phụ lục Các kết đạt được của hệ thống SCADA/DMS của Trung

tâm Điều độ Điện lực Hà Nội

ix

Quá trình kiểm tra chỉnh định đưa hệ thống SCADA/DMS vào vận hành và các bảng Test Record

ix

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ

DMS Distribution Management System Hệ thống quản lý phân phối

I&C Instrumentation and Control Đo đạc và điều khiển

ICCP Inter-Control Center Communication Protocol

IEDs Intelligent Electronic Devices Thiết bị điện tử thông minh

ISO International Organization for Standardization

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

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

Bảng 1.3 Địa chỉ và số điện thoại các kênh giả trực thông nối với trung

tâm điều độ A0, A1

4

Bảng 4.1 Các trạm biến áp 110kV do điện lực Hà Nội quản lý 70

Bảng 4.3 Các loại thông tin về tín hiệu điều khiển 72

Bảng 4.5 Các loại thông tin liên lạc đến các trạm 110kV 73

Bảng 4.6 Danh sách các tuyến đường dây 110 kV cấp điện cho Hà Nội 75

Bảng 5.1 Các thông số đặc điểm của các giao thức truyền thông 110

Bảng 5.2 Thống kê các tín hiệu cần thu thập và điều khiển tại trạm 114

Bảng 5.3 Liệt kê chi phí sơ bộ cho phương án 1 118

Bảng 5.4 Liệt kê chi phí sơ bộ cho phương án 2 119

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của một kênh truyền dẫn quang 12

Hình 1.6 Tuyến quang trạm 500kV Hòa Bình-thủy điện Hoà Bình-ĐL

Hòa Bình

14

Hình 1.7 Một ví dụ về các kênh thông tin vô tuyến 15

Hình 1.8 Cấu trúc cơ bản về kênh truyền dẫn vi ba 17

Hình 1.9 Tuyến Viba trạm 110kV Phủ Lý-Lý Nhân 18

Hình 1.10 Tuyến viba Điện lực Hải Phòng-Thủy Nguyên 18

Hình 1.12 Tuyến PLC Ninh Bình - Nam Định – Mỹ Xá 23

Hình 2.6 Các tiêu chuẩn thông tin liên lạc được sử dụng tại trạm 41

Hình 2.7 Các chuẩn thông tin liên lạc được sử dụng ở ngoài trạm 42

Hình 2.8 Các chuẩn thông tin liên lạc trong tương lai 45

Mô hình SCADA đơn giản trong hệ thống điện

Hình 3.2 Mô hình SCADA trạm điện 48

Hình 3.3 Mô hình truyền tin đơn giản trong hệ thống SCADA 50

Hình 4.1 Sơ đồ tổng quan của Công ty Điện lực Hà Nội 68

Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng các cổng kết nối của rơle MiCOM P63x 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

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

Khoa Hà Nội, Hà Nội 2004

2 VS.GS, Trần Đình Long: Bảo vệ các hệ thống điện NXB Khoa học và

7 Tổng công ty Bưu chính Viễn thông: Báo hiệu kênh chung NXB Trung

tâm thông tin bưu điện 1995

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

khiển hệ thống điện Hà Nội 11/2003

Tiếng Anh

networks Arpil 2004

10 ABB, Power Technologies: Network Manager Basics August 2004

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

Terminal Unit ABB Utilities, 2004

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

Protection of SCADA Communications August 2004

cơ thể thì thông tin và trao đổi thông tin chính là dòng khí Oxi cũng không thể thiếu đối với cơ thể Thông tin và trao đổi thông tin là yếu tố tối cần thiết với công tác điều độ các trung tâm điều độ hệ thống điện, trong đó có Trung tâm điều độ điện lực Hà Nội

Trong công tác điều độ thì các trạm điện phân phối là các đầu mối cung cấp điện cho các phụ tải Do đó các trung tâm điều độ cần biết thông tin về các thiết bị điện, các thiết bị điều khiển đo lường Mà muốn biết thông tin của chúng thì cần phải giao tiếp, trao đổi thông tin để làm được điều đó thì phải cho chúng cùng một môi trường, cùng ngôn ngữ đó chính là ý nghĩa của các giao thức thông tin (communication protocol)

Lưới điện Hà Nội (bao gồm lưới điện 110kV và lưới điện trung thế 6,10, 22, 35kV) có một tầm quan trọng đặc biệt trong nhiều lĩnh vực như chính trị, an ninh, kinh tế…Tuy nhiên cơ sở vật chất và các phương tiện phục

vụ cho việc điều hành hiện nay còn khá khiêm tốn Việc tiếp nhận, phân tích

xử lý cũng như lưu trữ thông tin dữ liệu cho đến nay vẫn được tiến hành chủ yếu bằng tay và tương đối thụ động Nói là thụ động là vì các thông tin cần thiết về lưới điện chỉ được thu thập khi có một yêu cầu cụ thể nào đó (ví dụ khi xảy ra sự cố) và việc cập nhật cũng chưa được diễn ra thường xuyên và có

hệ thống Khi mà lưới điện Hà Nội sẽ ngày càng tăng trưởng về số lượng các phụ tải, các trạm biến áp cũng như đường dây và các thiết bị điện khác, lượng thông tin cần thiết phục vụ cho việc vận hành do đó cũng sẽ tăng theo Nếu vẫn chỉ áp dụng các phương pháp điều hành cũ, phương tiện thông tin liên lạc

cũ chắc chắn các kỹ sư điều hành sẽ gặp phải khó khăn khi phải xử lý một lượng thông tin lớn và phức tạp như vậy Đây chính là lý do cho việc tìm hiểu

và nghiên cứu xây dựng một hệ thống công nghệ mới phục vụ cho công tác Điều độ lưới điện Hà Nội Và SCADA chính là một sự lựa chọn tốt trong trường hợp này

Những khái niệm và cách thức hoạt động của một hệ thống SCADA thì không còn mới, nhưng những công nghệ áp dụng cho các thành phần cấu thành hệ thống thì vẫn liên tục được cập nhật và đổi mới Ngày càng có nhiều thế hệ thiết bị với nhiều tính năng ưu việt ra đời cả về phần cứng, giải pháp phần mềm hay chuẩn thông tin liên lạc để phục vụ cho SCADA Chính vì vậy, việc thiết kế và xây dựng một hệ thống SCADA (với những thiết bị có phiên bản mới nhất phù hợp với yêu cầu) cho Trung tâm Điều độ điện lực Hà Nội là hoàn toàn hợp lý và hiện thực

Một lý do nữa cho thấy việc lựa chọn này là có cơ sở thực tế đó là việc các Trung tâm điều độ cấp trên của điện lực Hà Nội (bao gồm Điều độ Quốc Gia, Điều độ 3 miền Bắc, Trung, Nam) đều đã áp dụng thành công hệ thống SCADA cho công tác điều hành hệ thống điện thuộc quyền quản lý của mình

Hơn nữa, ở mổi trạm điện phân phối thì lại có rất nhiều loại rơle khác nhau, mà muốn có thể kết nối các rơle này với hệ thống SCADA thì phải có các giao thức truyền thông để giao tiếp với chúng

Những thực trạng trên đây của Trung tâm Điều độ điện lực Hà Nội và thực tế của việc xây dựng mô hình SCADA phục vụ cho thông tin đo lường

và điều khiển hệ thống điện cũng chính là lý do chọn đề tài cho bản luận văn này

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu cơ bản của luận văn này là tìm hiểu và nghiên cứu về SCADA

áp dụng trong hệ thống điện từ đó dẫn đến việc thiết kế, xây dựng hệ thống SCADA phục vụ cho công tác điều độ lưới điện khu vực Hà Nội

Để có được bất kì một hệ thống nào hoàn chỉnh cũng đều phải có nhiều khâu, nhiều bộ phận, nhiều quá trình cấu thành Hệ thống SCADA không nằm ngoài qui luật đó Chính vì vậy, luận văn cũng đề cập và tìm hiểu tới các thành phần, các yếu tố có liên quan trực tiếp đến một hệ thống thông tin và giao thức thông tin trong hệ thống điện, cụ thể ở đây là hệ thống SCADA, với mục đích có được một cái nhìn đầy đủ và toàn diện hơn

Tất nhiên do khuôn khổ có hạn nên với mục tiêu đã đề ra một số phần được trình bày và nghiên cứu trong bản luận văn dưới đây chỉ dừng ở mức độ chi tiết nhất định

Người viết cũng hi vọng qua bản luận văn này sẽ tìm hiểu và nắm bắt được một lĩnh vực công nghệ tiên tiến được ứng dụng trong hệ thống điện Và với kết quả từ việc thiết kế, xây dựng hệ thống SCADA sẽ có thêm những kiến thức mới, cái nhìn mới trong việc tiếp cận với hệ thống điện trong tương lai

3 Bố cục của luận văn

Để thực hiện mục đích nghiên cứu như đã trình bày ở trên, bản luận văn này được trình bày trong 5 chương chính và một phần phụ lục Nội dung cụ thể của mỗi phần này là:

Bản luận văn này, với nội dung chính là “Nghiên cứu hệ thống SCADA

và ứng dụng hệ thống thông tin, giao thức thông tin trong đo lường giám sát và điều khiển hệ thống điện” phục vụ cho công tác điều độ thông tin

được thể hiện trong 5 chương

Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ thống thông tin điện lực và các ứng dụng thông tin trong công tác điều hành của các trung tâm điều độ thông, phục vụ công tác quản lý Chương này cũng trình bày về các kênh thông tin trong hệ thống điện: giới thiệu tổng quan và các ứng dụng trên thực tế của hệ thống thông tin quang, hệ thống thông tin vô tuyến, hệ thống thông tin tải ba PLC, hệ thống thông tin của cáp thông tin

Chương 2: Giới thiệu về cơ sở kỹ thuật truyền thông để xây dựng hệ thống SCADA Qua đó tìm hiểu về các chế độ truyền thông tin, các cấu trúc mạng Trình bày về các giao thức, các chuẩn thông tin trong hệ thống điện Chương 3: Trình bày tổng quan về hệ thống SCADA, khái niệm về SCADA trong hệ thống điện, các hình thức thông tin liên lạc Các chức năng của hệ thống SCADA, về hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu của SCADA điều độ thông tin

Chương 4: Giới thiệu về Điện lực Hà Nội, trung tâm Điều độ Thông tin trực thuộc điện lực Hà Nội Trình bày tình hình thực tại lưới điện cao trung thế, các trạm biến áp ≥110kV thuộc điện lực quản lý trước khi ứng dụng hệ thống SCADA, yêu cầu cấp thiết phải ứng dụng hệ thống SCADA Tiếp theo

là thiết kế hệ thống SCADA/DMS cho lưới điện cao trung thế của điện lực

Hà Nội

Chương 5: Sử dụng các phương thức chuẩn truyền thông công nghiệp để kết

nối các rơle tại trạm E1.25 Mỹ Đình

Phụ lục: " Các kết đạt được của hệ thống SCADA/DMS của Trung tâm Điều

độ Điện lực Hà Nội, Quá trình kiểm tra chỉnh định đưa hệ thống

SCADA/DMS vào vận hành và các bảng Test Record" Trong phần này trình bày về các kết quả đã đạt được trong quá trình xây dựng, kiểm tra chỉnh sửa

hệ thống SCADA/DMS tại Trung tâm Điều độ Hà Nội như một số chức năng điển hình cũng như hoạt động cơ bản của hệ thống

CHƯƠNG 1:

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐIỆN LỰC

VÀ ỨNG DỤNG Ở EVN

1.1 Tầm quan trọng của hệ thống thông tin Điện lực

Hệ thống điện là tập hợp các phần tử tạo nên hệ thống bao gồm: hệ thống sản xuất, truyền tải, phân phối, các thiết bị đo lường, giám sát, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện Hệ thống các thiết bị “IEDs” (Intelligent Electronic Divices) dùng để chỉ các thiết bị điện tử thông minh thường được dùng trong các mục đích bảo vệ, đo lường và lưu giữ sự kiện

Hệ thống điện Việt Nam là một hệ thống phức tạp bởi nó có một số đặc điểm cơ bản:

 Nhiều phần tử ghép nối với nhau tạo thành một hệ thống lớn và có kết cấu rất phức tạp

 Chiếm một phạm vi rộng khắp cả nước

 Có ảnh hưởng đến mọi hoạt động của nền kinh tế quốc dân

Thông tin về các thiết bị của hệ thống điện trước đây thường được thu thập thông qua giám sát hay kiểm tra bằng tay (manual) hoặc thông qua các sự

cố Việc giám sát và kiểm soát các thiết bị điện chỉ được xem xét định kì mà rất ít khi được cập nhật thường xuyên và tự động Nếu có sự cố được phát hiện thì 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

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

Do đó việc vận hành và bảo vệ hệ thống điện cần có các phương tiện hữu hiệu, đắc lực trợ giúp Một trong các phương tiện đắc lực đó là hệ thống thông tin điện lực, với vai trò:

1.1.1 Đáp ứng nhu cầu thông tin vận hành cho các trung tâm điều độ: Điều độ Quốc gia, Điều độ Miền, Điều độ các Tỉnh với các dịch vụ thông tin:

Đây là một lượng thông tin rất lớn với nhiều chủng loại, với các mức độ quan trọng khác nhau, do đó đi cùng với chúng là các công nghệ truyền dẫn khác nhau, ta có thể tạm phân loại thành các dạng thông tin sau:

 Điện thoại trực thông

Ở cấu hình kênh trực thông, các máy điện thoại được đầu nối tương ứng 1:1, khi các máy ở trạm đầu xa nhấc máy, máy điện thoại tương ứng ở trung tâm sẽ reo chuông và ngược lại

Gồm hơn 40 kênh hotline giữa trung tâm điều độ quốc gia A0 với các trạm điện, các trung tâm điều độ cấp dưới, các nhà máy điện quan trọng:

Bảng 1.1-Điạ chỉ các trạm điện và trung tâm điều độ có

kênh Hotline với A0

7 NMĐ Uông Bí 27 Trung tâm Điều độ A2

Bảng 1.2-Điạ chỉ các trạm điện, các trung tâm điều độ

có kênh Hotline với A1

7 Trạm Chèm 22 Trạm Hoành Bồ

Hiện nay trung tâm A0, A1 đang sử dụng các kênh giả trực thông sau:

Bảng 1.3-Điạ chỉ và số điện thoại các kênh giả trực thông

nối với trung tâm điều độ A0, A1

Ngoài ra còn nhiều các kênh giả trực thông khác nữa

 Hệ thống SCADA: Với nhiệm vụ giám sát, điều khiển và thu thập số

liệu sản xuất, do đó lượng thông tin phục vụ các hệ thống SCADA là rất lớn với nhiều loại thông tin khác nhau như:

• Trạng thái tiếp điểm phụ của máy cắt, cầu dao cách ly

• Tín hiệu đo lường: U, I, P, Q, Cos ϕ

• Tín hiệu điều khiển đóng cắt các máy cắt, điều khiển nấc máy biến

áp

 Kênh truyền dữ liệu tốc độ cao: Phục vụ công tác tự động hoá, điều

khiển hệ thống điện như các kênh bảo vệ tần số

 Cung cấp dịch vụ đa phương tiện: Như truyền hình quan sát từ xa,

truyền số liệu thời gian thực

1.1.2 Đảm bảo nhu cầu thông tin quản lý: cho các cơ quan chức năng, các

đơn vị thành viên thuộc tổng công ty điện lực Việt Nam, phục vụ công tác

quản lý kinh doanh và phân phối điện

Nhờ khả năng liên kết mạng tổng đài, liên kết mạng truyền số liệu, mạng thông tin điện lực đã và đang cung cấp các dịch vụ thông tin quản lý, ngày càng mở rộng và nâng cao chất lượng:

 Điện thoại:

Hiện nay mạng thông tin điện lực đã cung cấp dịch vụ gọi điện thoại nội

bộ và các phiên đàm thoại từ máy 5 số của mạng nội bộ gọi vào mạng điện thoại 7 số của VNPT

Với hàng ngàn phiên đàm điện thoại trong mỗi ngày phục vụ các công việc khác quản lý, kinh doanh cho tất cả các đơn vị trong ngành điện lực trong

cả nước

 Fax

Tương tự như các kênh thoại, khai thác dịch vụ Fax nội bộ giữa các máy thuộc mạng thông tin điện lực chiếm một phần không nhỏ lượng thông tin hàng ngày được truyền trên các kênh thông tin điện lực

 Truyền dữ liệu

Đây là một lĩnh vực đầy tiềm năng và khó khăn của ngành điện lực, vì chỉ trong một thời gian ngắn nữa khi thị trường điện lực được đưa vào, lượng thông tin phục vụ giao dịch rất lớn Hiện nay lượng thông tin chỉ dừng lại ở những số liệu thống kê, kế toán

Lượng thông tin này được truyền từ các máy tính PC kết nối trong mạng LAN của các đơn vị với nhau thông qua kênh truyền

 Nhận xét sơ bộ về dung lượng thông tin phục vụ ngành điện và khả năng đáp ứng về mặt lưu lượng của các kênh truyền:

Qua phân tích các loại dữ liệu được truyền trên mạng thông tin điện lực,

để phục vụ cho công tác vận hành, điều khiển, quản lý trong ngành điện và các dữ liệu dịch vụ cho các ngành khác, ta có thể đưa ra một số những nhận xét về đặc điểm dữ liệu như sau:

 Lượng thông tin đa dạng, nhiều chủng loại

 Tầm ảnh hưởng lớn, có tính chất quyết định

 Dung lượng thông tin lớn

 Phạm vi vận chuyển rộng, qua nhiều loại địa hình

 Thời gian trao đổi liên tục với tần suất cao

Như vậy việc xây dựng, quản lý, vận hành, quy hoạch và khai thác mạng thông tin điện lực đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và tài chính để đảm bảo chất lượng phục vụ tốt đáp ứng được nhu cầu về giải thông

Hiện nay mạng thông tin điện lực đang từng bước nâng cấp, thay thế các thiết bị truyền dẫn để đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của lượng thông tin và phù hợp với các hệ thống vận hành, giám sát, quản lý đang được nâng cấp trong ngành điện:

Về kênh truyền: Hiện nay hệ thống thông tin điện lực đang sử dụng các loại

kênh truyền sau:

 Cáp quang

 Vô tuyến siêu cao tần (Vi ba)

 Tải ba (PLC – Power Line Carrier)

 Dây dẫn phụ hoặc cáp thông tin

Và đang dần thay thế các kênh có dung lượng nhỏ (16kbps, 64kbps) bởi các kênh truyền công nghệ quang có dung lượng lớn gấp nhiều lần (2Mbps) nâng cao khả năng tải của các tuyến kênh thông tin

Với các loại tổng đài và kênh truyền hiện nay đang khai thác sử dụng, đã đáp ứng được yêu cầu về giải thông Trong tương lai gần khi chúng ta đưa thị

trường điện lực vào hoạt động, khi đó lương thông tin được truyền trên các kênh thông tin sẽ tăng gấp nhiều lần so với hiện nay, do đó việc đánh giá khả năng thông qua của mạng thông tin là một đòi hỏi tất yếu

1.2 Các kênh thông tin trong hệ thống điện

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

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

 Cáp quang: Đó là các hệ thống cáp sợi thủy tinh Cáp quang là một phương tiện truyền dẫn mang lại hiệu quả rất cao, đang dần trở thành công nghệ cho tương lai

 Sóng vô tuyến: Sóng truyền thanh (radio, AM, FM), sóng truyền hình, vi sóng (hay là sóng viba), tia hồng ngoại

 Kênh tải ba PLC (Power line carrier): Tải tín hiệu tần số cao bằng đường dây tải điện

Việc lựa chọn và sử dụng kênh truyền nào là còn tùy thuộc vào yêu cầu đặt ra của từng trường hợp cụ thể Trong đó ngoài yếu tố về mặt kỹ thuật (như tốc độ truyền, độ rộng băng thông, khả năng kháng nhiễu, độ suy hao tín hiệu ) thì cũng phải quan tâm đến tính kinh tế, chi phí cho việc thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống

1.2.1 Kênh thông tin truyền dẫn quang

a) Khái niệm

Thông tin quang

Thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang Tại nơi nhận, nó lại được biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu

Các đặc tính của thông tin quang

Trước hết, vì có băng thông lớn nên nó có thể truyền một khối lượng thông tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp bằng cách sử dụng sợi quang, một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh

có thể được truyền đến những địa điểm cách xa hàng 100 km mà không cần đến các bộ tái tạo

Thứ hai, sợi quang nhỏ nhẹ và không có xuyên âm

Thứ ba, vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phí dẫn nên chúng không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và của xung điện

từ

Ngoài những ưu điểm đã nêu trên, sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài và có khả năng đề kháng môi trường lớn Nhờ những ưu điểm này, sợi quang được sử dụng cho các mạng lưới điện thoại, dữ liệu, và phát thanh truyền hình (dịch vụ băng rộng), thông tin điện lực, các ứng dụng y tế

và quân sự, cũng như các thiết bị đo

Tuy nhiên, cáp quang có nhược điểm là khó lắp đặt (đấu nối cáp) và giá thành còn cao so với các loại cáp thông tin khác Nếu có thể khắc phục được những nhược điểm này thì có thể nói cáp quang là loại cáp lý tưởng cho các

hệ thống truyền tin trong tương lai

Cáp sợi quang

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

vệ như trên hình vẽ dưới đây:

Lõi là một sợi hoặc một bó sợi được làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo

trong suốt có thể truyền dẫn tín hiệu quang Vỏ là một lớp bọc bao quang lõi,

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

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

để bảo vệ cho toàn bộ sợi cáp

Hình 1.1 Cấu trúc cáp sợi quang

b) Tổng quan về hệ thống thông tin quang

) ( arctg

Cáp sợi quang chỉ có thể hoạt động ở một trong hai chế độ là :

Single-Mode (chỉ có một đường dẫn quang duy nhất) hoặc Multi-Mode (có nhiều

đường dẫn quang):

- Loại Single-Mode (hay sợi đơn chế độ): Sợi quang một kiểu sóng, tín

hiệu truyền đi là các tia laser có tần số thuần nhất Các điôt laser được sử dụng trong các bộ phát Tốc độ truyền có thể đạt tới hàng trăm Gbit/s ở khoảng cách 1km

- Loại Multi-Mode (hay sợi đa chế độ): Sợi quang nhiều kiểu sóng, tín

hiệu truyền đi là các tia laser có tần số không thuần nhất Các LED được sử

a Sợi đa chế độ - chiết suất bậc

b Sợi đa chế độ - chiết suất biến đổi đều

dụng trong các bộ phát Hiện tượng tán xạ gây khó khăn trong việc nâng cao tốc độ truyền và chiều dài cáp dẫn

Ngoài ra người ta còn có thể phân loại cáp quang dựa theo vật liệu (thạch anh, thủy tinh đa vật liệu ) và theo sự phân bố chiết suất (chiết suất biến đổi đều, chiết suất bậc)

c) Cấu trúc cơ bản của một kênh thông quang trong hệ thống thông tin điện lực

Cấu trúc của một kênh thông tin quang được mô tả trên hình 1.4:

Thiết bị tách ghép kênh

Dữ liệu

Hotline

Tổng đài Thiết bị truyền dẫn

Hình1.4 Cấu trúc cơ bản của một kênh truyền dẫn Quang

d) Một số hệ thống kết nối quang đang được sử dụng tại hệ thống thông tin điện lực Việt Nam

Với những ưu điểm đã phân tích ở trên, hệ thống truyền dẫn cáp đang dần dần được lắp đặt rộng rãi và thay thế cho một số kênh truyền dẫn khác, trong hệ thống thông tin điện lực Việt Nam

 Là các kênh Hotline

 Các kênh thoại(Line telephone) sử dụng các loại tổng đài khác nhau

 Các kênh dữ liệu thu thập từ các trạm đầu xa, tín hiệu Rơle,…

Tuyến quang Phả Lại 2- Phả Lại 1

Trên tuyến quang này sử dụng các thiết bị truyền dẫn là Modem, thiết bị ghép tách kênh là FMX, thiết bị chuyển tiếp ODP Hình 1.5 thể hiện cụ thể sơ

đồ ghép nối

Hình 1.5 Tuyến quang Phả Lại 2- Phả Lại 1

Tuyến quang Trạm 500Kv Hoà Bình-Thuỷ điện Hoà Bình- Điện lực Hoà Bình

Hình 1.6 thể hiện cụ thể sơ đồ ghép nối

Hình 1.6 Tuyến quang Trạm 500Kv Hoà Bình-Thuỷ điện Hoà Bình- Điện lực

Hoà Bình

1.2.2 Kênh thông tin vô tuyến

Trên thực tế, không phải lúc nào cũng có thể sử dụng các loại cáp điện hay cáp quang để làm phương tiện truyền dẫn Ví dụ như khi địa hình hiểm trở, khoảng cách giữa hai đối tác truyền thông là quá lớn thì việc xây dựng một hệ thống cáp nối là khó khăn và tốn kém về kinh phí Khi đó, việc truyền tin được thực hiện bằng sóng vô tuyến Nhờ có sự tiến bộ của nhiều công nghệ viễn thông hiện đại và tin cậy mà hiện nay phương pháp truyền dữ liệu bằng sóng vô tuyến đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi hơn Trong

hệ thống điện cũng vậy, thực tế là có thể sử dụng trực tiếp các thiết bị viễn thông có sẵn như một kênh liên lạc hiệu quả và kinh tế

Hình 1.7 : Một ví dụ về các kênh thông tin vô tuyến trong HTĐ

a) Radio

Sóng radio chiếm dải tần từ 10 kHz đến 1GHz, trong đó có các băng tần quen thuộc như:

• Sóng ngắn

• VHF (Very High Frequency): dùng cho truyền hình và FM radio

• UHF (Ultra High Frequency): dùng cho truyền hình và các loại thông tin di động

Có 3 phương thức truyền theo tần số radio:

• Công suất thấp, tần số đơn: (Low power - Single frequency): có tốc độ

thực tế từ 1 đến 10Mbit/s Độ suy hao lớn do công suất thấp, chống nhiễu kém

• Công suất cao, tần số đơn: (High power - Single frequency): tốc độ

tương tự: 1 đến 10Mbit/s Độ suy hao có đỡ hơn nhưng khả năng chống

Máy tính chủ Đài thu/phát

• Trải phổ (Spread Spectrum): tất cả các hệ thống 900 MHz đều có phạm

vi tốc độ từ 2 - 6 Mbit/s Các hệ thống mới làm việc với các tần số GHz

có thể đạt tốc độ cao hơn Do hoạt động ở công suất thấp nên độ suy hao cũng lớn

b) Sóng viba (Microware)

Nền tảng của thông tin ViBa

Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn Phương pháp thông tin là: phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ phía phát qua không gian và tách lấy tín hiệu gốc Các đặc tính của sóng ViBa

Sóng viba hay còn gọi là sóng cực ngắn là một phương pháp truyền tin rất hữu hiệu, cho phép truyền được tín hiệu trong một dải rộng Hai dạng

truyền thông chính được sử dụng hiện nay đó là vi sóng mặt đất và vi sóng

qua vệ tinh

Các hệ thống viba mặt đất thường hoạt động ở dải băng tần 4-6 GHz và 21-23 GHz, tốc độ truyền dữ liệu từ 1-10 Mbit/s Với kỹ thuật này, có thể sử

dụng các dịch vụ viễn thông công cộng hoặc là lắp đặt hệ thống riêng

Đường truyền lan sóng vô tuyến

Sóng vô tuyến không truyền lan theo dạng lý tưởng khi chúng ở trong không gian do ảnh hưởng của mặt đất và tầng đối lưu Đường truyền sóng giữa các đầu phát T và đầu thu R còn có sóng phản xạ từ bề mặt đất để đạt tới

trạm thu, ngoài sóng trực tiếp theo đường thẳng

Cấu trúc logic cơ bản của một kênh thông tin Viba số

Một kênh thông tin Viba số thông thường với sự tích hợp các modul sẽ

có cấu trúc cơ bản như sau:

Hình1.8 C ấu trúc cơ bản kênh truyền dẫn Viba số

Một số hệ thống kết nối Vi Ba đang được sử dụng tại hệ thống thông tin điện lực Việt Nam

Ngoài những ưu điểm về khắc phục địa hình, kênh thông tin Viba còn có một ưu điểm kỹ thuật nữa là: Thiết bị ghép nối đơn giản, thuận tiện cho quản

lý, vận hành; tổ chức thành mạng truyền dẫn Điểm - Đa điểm (Điểm: Trạm gốc; Đa điểm: Trạm thu phát đầu xa); phù hợp hệ thống giám sát vận hành cấp địa phương với nhiều điểm thông tin nhỏ như các trạm điện

Tuyến Viba trạm 110 Kv Phủ lý –trạm 110 Kv Lý nhân

Trên tuyến Viba này có sơ đồ ghép nối

Hình1.9 Tuyến Viba trạm 110 kV Phủ lý –trạm 110 Kv Lý nhân

Tuyến Viba Điện lực Hải Phòng – Trạm Thuỷ Nguyên

Trên tuyến Viba này có sơ đồ ghép nối

Hình 1.10 Tuyến Viba Điện lực Hải Phòng – Trạm Thuỷ Nguyên

c) Các hệ thống hồng ngoại (Infrared System)

Có 2 phương pháp kết nối mạng bằng hồng ngoại được sử dụng là: điểm

Các mạng điểm - điểm hoạt động bằng cách chuyển tiếp các tín hiệu hồng ngoại từ một thiết bị tới thiết bị kế tiếp Giải tần của phương pháp này khoảng từ 100 GHz đến 1000 THz, tốc độ đạt được khoảng từ 100 Kb/s đến

16 Mb/s Các mạng quảng bá hồng ngoại cũng có dải tần từ 100 GHz đến

1000 THz, nhưng tốc độ truyền dữ liệu thực tế chỉ đạt dưới 1Mb/s mặc dù về

lý thuyết có thể đạt cao hơn

Loại

phương

tiện

Dải tần thông dụng

Vừa phải 100 Kb/s Phụ thuộc

cường độ as

và môi trường

Nhạy cảm với c/độ as Quảng bá 100 GHz-

1000 GHz

Cao hơn cáp, thấp hơn vô tuyến

với cđộ as

Bảng 1.4: So sánh các phương tiện vô tuyến

1.2.3 Kênh tải ba PLC (Power Line Carrier)

a) Khái niệm

Công nghệ truyền dẫn PLC sử dụng đường dây tải điện làm môi trường truyền dẫn, với đặc thù trải rộng khắp cả nước, việc tận dụng đường dây tải điện đã mang lại một số lợi thế như giảm chi phí xây dựng, có độ bền vững cao Tuy vậy, vì không phải được thiết kế cho mục đích truyền dữ liệu nên khi được sử dụng như một kênh truyền dữ liệu thì PLC có nhiều tính chất bất lợi như sau:

Sự giới hạn về dải thông

Do không được thiết kế cho mục đích truyền data, do vậy kênh truyền PLC có dải thông rất hẹp, ngoài ra dải thông trên đường PLC còn được quy định bởi các chuẩn khác nhau như: Chuẩn Châu âu CELENEC, chuẩn Bắc Mỹ Các chuẩn này quy định tần số hoạt động của các kênh truyền PLC Chính vì giới hạn này mà chúng ta sẽ rất kho khăn để triển khai các dịch vụ có tốc độ dữ liệu cao

Không cân bằng trở kháng

Trong hệ thống thông tin thông thường, việc phối hợp trở kháng giữa các máy thu, máy phát và các thiết bị khác là hoàn toàn có thể làm được, ví dụ như chúng ta luôn luôn có thể chọn được một loại cáp 50 ohm để dùng cho một máy thu – phát với một kênh truyền PLC bởi lẽ trở kháng của mạng điện

là luôn luôn thay đổi theo thời gian và không gian, nghĩa là ở tại một thời điểm khác nhau, tại một vị trí khác nhau trên lưới điện chúng ta sẽ có giá trị trở kháng khác nhau và luôn biến đổi theo tải

Bức xạ sóng điện từ

Khi chúng ta truyền tín hiệu vô tuyến lên đường truyền PLC thì hệ thống dây dẫn có thể được coi như là một hệ thống antenna khổng lồ và khi đó tín hiệu sẽ bị bức xạ ra ngoài không gian, tần số sóng mang càng lớn thì bức xạ

càng lớn Sóng bức xạ này có thể sẽ làm nhiễu các thiết bị vô tuyến ở môi trường xung quanh đường truyền Chính vì vậy thông thường các máy phát PLC thường bị giới hạn công suất phát

Nhiễu đường truyền

Đây được coi là nguyên nhân chính làm cho khoảng cách kênh truyền của hệ thống PLC bị giới hạn và nó phải đặc biệt được quan tâm trong quá trình thiết kế hệ thống PLC

Một kênh truyền phải được thiết kế sao cho mức tín hiệu thu được phải lớn hơn mức nhiễu thu được trong băng tần hoạt động, còn lớn hơn bao nhiêu thì nó phụ thuộc vào phương thức điều chế tín hiệu cũng như ứng dụng cụ thể của kênh truyền

Nhiễu kênh truyền PLC thường có hai loại:

 Nhiễu liên tục: nhiễu này xuất hiện ở mọi thời điểm và thường có hai biên độ rất nhỏ

 Nhiễu xung: nhiễu này chỉ xuất hiện trong một khoảng thời gian ngắn (ms) tuy nhiên biên độ lại rất lớn thậm chí lên hàng Kv

Những nhiễu này thường được sinh ra bởi việc đóng cắt điện, sấm sét hoặc ngay cả nhiễu do tần số 50/60Hz sinh ra cũng như nhiễu do các sóng vô tuyến ở môi trường xung quanh

Cấu trúc logic cơ bản của một kênh truyền Tải ba

Một kênh truyền PLC thường có cấu trúc tổng quát như sau:

Line turner

Tranceiver

Data in

Data in

Data out

Data in

Data in

Cáp đồng trục

Cáp đồng trục Drain

Coupling

Sơ đồ nguyên lý của kênh tải ba được trình bày như trong hình 1 Đây là

sơ đồ pha - đất Ngoài ra, người ta còn có thể thực hiện kênh tải ba PLC theo một số phương án khác như: pha - pha, pha - pha của 2 lộ khác nhau, dây chống sét - đất, dây chống sét - dây chống sét

Chức năng của các module

Tranceiver: Đây là module làm nhiệm vụ thu phát tín hiệu

Line tuner

Mục đích chính của module này là kết hợp với tụ Coupling để tạo thành mạch điện có trở kháng thấp đối tần số sóng máng của kênh truyền và có trở kháng cao đối với tần số nguồn điện 50/60Hz

Line trap

Việc thiết kế một kênh truyền là phải làm sao cho công suất tín hiệu đạt được tại máy thu là lớn nhất và chính vì vậy năng lượng của sóng mang trên đường truyền phải được định hướng về phía máy thu Và điều này được thực hiện bởi module linetrap như trên sơ đồ Module linetrap được thực hiện bởi một mạch LC cộng hưởng song song ở tần số sóng mang Mặt khác cuộn cảm của module này phải có trở kháng đủ nhỏ ở tần số 50/60Hz và kích thước

cũng phải đủ lớn cho phép dòng điện rất lớn chạy qua

Cáp đồng trục

Thông thường được sử dụng làm đường truyền giữa LineTuner và máy thu phát, trong các ứng dụng PLC loại cáp RG8A/U hoặc tương đương thường hay được sử dụng bởi ở hai dải tần số sử dụng cho kênh truyền PLC suy hao tín hiệu trên đường cáp là rất thấp khoảng 2.7dB/1000m

Hybrids

Ngoài các module kể trên trong hệ thống PLC thường hay sử dụng module phối ghép chúng thường được đặt trước module Line Tuner