IEC 61850 là gì? Tìm hiểu tổng quan về giao thức IEC 61850

IEC 61850 là gì?

IEC 61850 là tiêu chuẩn quốc tế mới dựa trên Ethernet và đã trở thành tiêu chuẩn truyền thông trong các cơ sở phát điện và trạm biến áp. Mục tiêu của tiêu chuẩn IEC 61850 là tích hợp tất cả các chức năng bảo vệ, điều khiển, đo lường và giám sát trong một trạm biến áp và cung cấp các phương tiện cho các ứng dụng bảo vệ trạm biến áp tốc độ cao, lồng vào nhau và xen kẽ. Những thiết bị này thường được gọi là thiết bị điện tử thông minh (IED).

Vì sao IEC 61850 ra đời?

Hãy tưởng tượng có hàng trăm nhà máy sản xuất nằm rải rác trên khắp đất nước, tất cả đều có nhãn hiệu thiết bị của riêng họ và giao tiếp trong một loạt các giao thức khác nhau. Bây giờ, hãy tưởng tượng rằng để các nhà máy này hoạt động hiệu quả, thì các nhà máy này cần phải giao tiếp với nhau; tuy nhiên các giao thức không thể tương tác và các thiết bị không thể giao tiếp với nhau.

Thay thế các nhà máy sản xuất này bằng các trạm biến áp và bạn có thể biết được điều gì đang xảy ra trên khắp thế giới liên quan đến truyền tải và phân phối điện. Để duy trì chất lượng và độ tin cậy điện năng, các trạm biến áp cần liên lạc với nhau. Tuy nhiên, với nhiều giao thức, đòi hỏi nhiều lượng công việc kỹ thuật cần thực hiện.

Hơn nữa, với năng lượng tái tạo và lưới vi mô sử dụng nhiều thiết bị hỗ trợ bởi một loạt các nhà sản xuất, giao thức và điện năng khác nhau có khả năng ảnh hưởng đến sự ổn định của điện lưới cung cấp (ví dụ như tần số cung cấp điện). Trong khi đó, ngày càng chú trọng vào năng lượng tái tạo trong cơ cấu năng lượng của các quốc gia xung quanh thế giới, một nhu cầu bức thiết về ban hành một giao thức chung. Nhu cầu này đã được đáp ứng bởi sự ra đời của IEC 61850, một giao thức chung nhằm tạo sự thuận lợi cho khả năng tương tác và liên lạc giữa các “Thiết bị điện tử thông minh (IED)” trong các trạm biến áp, điều này sẽ rất cần thiết cho sự phát triển của lưới điện thông minh hoặc nhà máy Nhiệt và Điện ảo (Virtual Heat and Power – VHP).

MMS, GOOSE và SCL trong IEC 61850

MMS là hệ thống nhắn tin tiêu chuẩn quốc tế (ISO 9506) được sử dụng giữa các thiết bị nối mạng và / hoặc các ứng dụng máy tính để truyền dữ liệu, thông tin điều khiển giám sát theo quy trình với thời gian thực. Các thiết bị cung cấp báo cáo cho các hệ thống cấp cao hơn như HMI và Gateway.

GOOSE là các tập dữ liệu được nhóm lại và được truyền trong khoảng thời gian bốn mili giây. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng cơ chế của mô hình kiểm soát các rơle bảo vệ dựa trên kết nối Ethernet qua Mạng cục bộ (LAN). Để đảm bảo tốc độ truyền chính xác và các cơ chế đáng tin cậy; GOOSE được nhúng trực tiếp vào gói dữ liệu Ethernet và hoạt động trên nhà xuất bản-thuê bao, mạng LAN ảo với gắn thẻ ưu tiên và cơ chế truyền lại nâng cao. Thông điệp GOOSE được thiết kế độc lập với nhà cung cấp.

SCL là ngôn ngữ cấu hình cho giao tiếp trong trạm điện liên quan đến IED, cho phép mô tả chính thức phương ngữ giữa hệ thống tự động hóa hệ thống và trạm chuyển mạch. Tệp SCL dựa trên một tập hợp các tệp lược đồ xác định các thẻ và dựa trên XML xác định mô hình đối tượng mô tả cấu trúc trạm biến áp, IED, mạng và các đối tượng kiểu dữ liệu được sử dụng để định cấu hình hệ thống IEC 61850. Có thể bao gồm biểu diễn dữ liệu cho các thực thể thiết bị trạm biến áp, các chức năng liên quan được biểu diễn dưới dạng các nút logic, hệ thống truyền thông và các tính năng. Thể hiện dữ liệu đầy đủ dưới dạng SCL là có khả năng tương tác toàn diện giữa các thiết bị khác nhau của trạm biến áp.

Ưu điểm của IEC 61850

IEC 61850 được xây dựng dựa trên nền tảng truyền thông giao tiếp Ethernet. Do đó, băng thông và tốc độ truyền thông tương ứng lớn hơn và nhanh hơn nhiều so với truyền thông giao tiếp nối tiếp (Serial). Với các IED phức tạp hơn, với nhiều dữ liệu yêu cầu phản hồi nhanh hơn và mạng hỗ trợ Ethernet là điều tất yếu.
IEC 61850 là một giao thức hướng đối tượng so với các giao thức cũ hơn là hướng tín hiệu. Đối với các giao thức hướng tín hiệu, trong hệ thống điều khiển của bạn, bạn sẽ tham chiếu đến các điểm dữ liệu của mình là 10004, 21015 từ thiết bị 1, 2, 3, v.v. Điều này có nghĩa là bạn sẽ phải mất thời gian để tìm hiểu từng điểm đại diện cho thư viện của bạn. Mặc dù điều này là khá ổn đối với các hệ thống quy mô nhỏ, nhưng nó sẽ trở thành vấn đề khi có hàng chục nghìn điểm dữ liệu, đây là vấn đề phổ biến đối với nguồn cung cấp điện. Mặt khác, đối với IEC 61850, việc xác định điểm dữ liệu dễ dàng hơn nhiều.
Dự phòng: không giống như các phương pháp dự phòng Ethernet khác như RSTP (rapid spanning tree protocol), dự phòng IEC 61850 cung cấp thời gian khôi phục bằng không. IEC 61850 sử dụng giao thức dự phòng song song, theo đó mỗi nguồn gửi ra 2 bản sao của khung, thông qua 2 tuyến khác nhau. Do đó, nếu một đường dẫn không thành công, dữ liệu sẽ vẫn đến đích thông qua đường thay thế, tránh thời gian chết. PRP kể từ đó đã được sửa đổi, điều chỉnh nó thành giao thức dự phòng tốc độ cao sử dụng mạng vòng, không giống như phiên bản trước của PRP hoạt động trong mạng song song. Do đó, PRP và HSR ngày nay phần lớn tương đương nhau.
Các giao thức khác (MMS, GOOSE, SMV) cũng cho phép truyền dữ liệu nhanh hơn và đáng tin cậy hơn từ IED đến trạm trung tâm, giữa IED và trong trường hợp SMV, từ PT và CT đến IED.

Nhược điểm của IEC 61850

Thông tin tài liệu về tiêu chuẩn IEC 61850 rất lớn và khó học: ấn bản đầu tiên của nó được phát hành vào năm 2003 gồm 14 phần với khoảng 1.500 trang. Phiên bản 2009 gồm hơn 40 phần với số trang nhiều gấp bội. Tuy nhiên, khối lượng thông tin này là điều cần thiết để mô tả đầy đủ và chi tiết để dễ dàng tiếp cận nhất có thể.
Ngôn ngữ cấu hình IEC 61850 rất phức tạp và khó đọc. Tuy nhiên, ngôn ngữ này dành cho việc trao đổi thông tin giữa các ứng dụng máy tính và không phải để con người đọc hay thay đổi. Trong khi đó, tồn tại các công cụ có thể chuyển đổi ngôn ngữ này sang dạng con người có thể đọc được.
Tốc độ phát triển của tiêu chuẩn IEC 61850 quá nhanh. Giải pháp duy nhất là cố gắng tương thích cả về phía tương lai và tương thích ngược.

Rõ ràng, có rất nhiều lợi ích trong IEC 61850 để chống lại những bất lợi đã nhận thức được. Đó là lý do tại sao các kỹ sư Hoa Kỳ đã đưa ra cái nhìn thứ hai về tiêu chuẩn này và tốt hơn hết là hãy thử.

Một số tài liệu về tiêu chuẩn IEC 61850

IEC TR 61850-1: 2013 – Giới thiệu và tổng quan
IEC TS 61850-2: 2003 – Bảng chú giải thuật ngữ
IEC 61850-3: 2013 – Yêu cầu chung
IEC 61850-4: 2011 – Quản lý hệ thống và dự án
IEC 61850-5: 2013 – Yêu cầu giao tiếp đối với các chức năng và kiểu thiết bị
IEC 61850-6: 2009 – Ngôn ngữ cấu hình để giao tiếp trong các trạm biến áp điện liên quan đến IED
IEC 61850-7-1: 2011 – Cấu trúc truyền thông cơ bản – Nguyên tắc và mô hình
IEC 61850-7-2: 2010 – Cấu trúc truyền thông cơ bản – Giao diện dịch vụ truyền thông trừu tượng (ACSI)
IEC 61850-7-3: 2010 – Cấu trúc truyền thông cơ bản – Các lớp dữ liệu chung
IEC 61850-7-4: 2010 – Cấu trúc truyền thông cơ bản – Các lớp nút logic và lớp dữ liệu tương thích
IEC 61850-7-410: 2012 – Cấu trúc truyền thông cơ bản – Nhà máy thủy điện – Truyền thông cho giám sát và điều khiển
IEC 61850-7-420: 2009 – Cấu trúc truyền thông cơ bản – Các nút logic tài nguyên năng lượng phân tán
IEC TR 61850-7-510: 2012 – Cấu trúc truyền thông cơ bản – Nhà máy thủy điện – Các khái niệm và hướng dẫn lập mô hình
IEC 61850-8-1: 2011 – Ánh xạ dịch vụ truyền thông cụ thể (SCSM) – Ánh xạ tới MMS thông báo sản xuất (ISO 9506-1 và ISO 9506-2) và ISO/IEC 8802-3
IEC 61850-9-2: 2011 – Bản đồ dịch vụ truyền thông cụ thể (SCSM) – Các giá trị được lấy mẫu theo ISO/IEC 8802-3
IEC/IEEE 61850-9-3: 2016 – Hồ sơ giao thức thời gian chính xác cho tự động hóa tiện ích điện
IEC 61850-10: 2012 – Thử nghiệm sự phù hợp
IEC TS 61850-80-1: 2016 – Hướng dẫn trao đổi thông tin từ mô hình dữ liệu dựa trên CDC sử dụng IEC 60870-5-101 hoặc IEC 60870-5-104
IEC TR 61850-80-3: 2015 – Ánh xạ tới các giao thức web – Yêu cầu và lựa chọn kỹ thuật
IEC TS 61850-80-4: 2016 – Dịch từ mô hình đối tượng COSEM (IEC 62056) sang mô hình dữ liệu IEC 61850
IEC TR 61850-90-1: 2010 – Sử dụng IEC 61850 để giao tiếp giữa các trạm biến áp
IEC TR 61850-90-2: 2016 – Sử dụng IEC 61850 để giao tiếp giữa các trạm biến áp và trung tâm điều khiển
IEC TR 61850-90-3: 2016 – Sử dụng IEC 61850 để chẩn đoán và phân tích theo dõi tình trạng
IEC TR 61850-90-4: 2013 – Hướng dẫn kỹ thuật mạng
IEC TR 61850-90-5: 2012 – Sử dụng IEC 61850 để truyền thông tin đồng bộ theo IEEE C37.118
IEC TR 61850-90-7: 2013 – Mô hình đối tượng cho bộ chuyển đổi công suất trong hệ thống tài nguyên năng lượng phân tán (DER)
IEC TR 61850-90-8: 2016 – Mô hình đối tượng cho di động điện tử
IEC TR 61850-90-12: 2015 – Hướng dẫn kỹ thuật mạng diện rộng