Tự động hóa trạm biến áp với giao thức IEC 61850

Tự động hóa hệ thống điện là yêu cầu cấp thiết trong giai đoạn phát triển hiện nay. Các quốc gia tiên tiến trên thế giới và trong khu vực đã hoàn thành công việc này và đang tiến hành hình thành lưới điện thông minh. Trạm biến áp đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện. Số lượng trạm biến áp ngày càng gia tăng cùng với sự phát triển của kinh tế – xã hội.

Tính cấp thiết của tự động hóa trạm biến áp

Tự động hoá trạm biến áp (Substation Automation – SA) là hệ thống cho phép các chức năng về điện của trạm được giám sát, điều khiển và phối hợp bởi các thiết bị phân tán lắp đặt trong trạm. Các chức năng được thực hiện bởi hệ thống SA dựa trên cơ sở các bộ xử lý tốc độ cao được biết đến như là RTU (Remote Terminal Units) hoặc các thiết bị điện tử thông minh (Intelligent Electronic Devices – IEDs).

Cơ sở của việc tự động hóa trạm biến áp là giao thức truyền thông của các thiết bị điện. Rất nhiều các giao thức truyền thông được sử dụng trong việc giám sát điều khiển xa TBA, các giao thức phổ biến như Modbus, DNP3 và IEC 6870. Đây là các giao thức được tạo ra cho một nhóm thiết bị, không mang tính thống nhất chung cho toàn hệ thống.

Để tiến hành tự động hóa các trạm biến này cần phải sử dụng giải pháp tích hợp các giao thức truyền thống vào giao thức IEC 61850, trên cơ sở đó mới có thể truy xuất dữ liệu từ các thiết bị hiện tại.

Tại sao chọn giao thức IEC 61850 trong tự động hóa trạm biến áp

Nền tảng IEC 61850

Trong những năm đầu thập kỷ 1990, viện nghiên cứu EPRI và IEEE bắt đầu phát triển một tiêu chuẩn để xác định các truyền thông trong trạm biến áp. Dự án được đặt tên UCA.. EPRI và IEEE bắt đầu làm việc với UCA 2.0 vào năm 1994, trong đó tập trung chủ yếu vào bus truyền thông trong trạm biến áp.Năm 1997, cả ba tổ chức EPRI, IEEE và IEC liên kết với nhau để tạo ra một tiêu chuẩn quốc tế, đặt tên IEC 61850 và được xuất bản năm 2003.

Tiện ích

Tiêu chuẩn IEC 61850 được tạo ra với chức năng mềm dẻo và khả năng mở rộng linh hoạt. Tiêu chuẩn này sử dụng công nghệ thông tin, hỗ trợ nhiều dịch vụ với việc lựa chọn các yêu cầu thực hiện khác nhau. Truyền thông tốc độ cao giữa các IED độc lập cho phép thực hiện việc truyền thông giữa các ngăn lộ với nhau. Với giao tiếp giữa các ngăn lộ, các liên động có thể được thực hiện thông qua đường truyền thông. Với IEC 61850, các IED có thể giao tiếp với nhau bằng cách phát đi và nhận về các tin nhắn GOOSE.

Nội dung tiêu chuẩn IEC 61850

Mô hình hóa IED

Các IED kết nối với mạng bằng một địa chỉ mạng. Một thiết bị vật lý có thể được xác định bởi một hoặc nhiều thiết bị logic. Nhiều thiết bị logic được dùng để phân chia các chức năng riêng biệt trong một thiết bị vật lý, hoạt động như một máy chủ proxy hoặc như một gateway cho các thiết bị logic khác trong nó. Việc ảo hóa thiết bị được thực hiện theo cách này nhằm làm cho cấu hình và toàn bộ hệ thống được hiểu một cách dễ dàng hơn.

Khái niệm Logical node

Khái niệm logical node đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ tiêu chuẩn. Các logical node là đối tượng cơ bản trao đổi thông tin và là xương sống trong việc mô hình hóa các thiết bị thực. Các logical node chứa một số tập hợp đối tượng dữ liệu xác định trước bắt buộc với các thuộc tính dữ liệu cụ thể. Thông tin chứa đựng trong các logical node được trao đổi bằng các dịch vụ với các quy tắc và các yêu cầu thực hiện được xác định trước. 

Cấu trúc

Theo tiêu chuẩn IEC 61850, các thiết bị nhị thứ của trạm biến áp được sắp xếp theo 3 mức: Mức Trạm (Station Level), Mức Ngăn (Bay Level) và Mức Quá trình (Process Level).

Cấu trúc liên kết của bus trạm (Station bus)

Cấu trúc đơn sẽ là giải pháp khi các IED kết nối trực tiếp vào bus mà không qua các switch hay các bộ lặp. Giải pháp này thường không có tính dự phòng, tính sẵn sàng hay độ tin cậy cao. Để đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn, trong hầu hết các trường hợp đòi hỏi phải sử dụng các switch Ethernet hỗ trợ việc gắn nhãn ưu tiên.

Cấu trúc vòng bao gồm các switch hoặc các bộ lặp liên kết với nhau để nối các IED, máy tính trạm, máy tính chủ, … Ưu điểm của cấu trúc vòng là độ tin cậy của nó vì việc cô lập sự cố và phục hồi được thực hiện một cách dễ dàng.

Ngôn ngữ cấu hình hệ thống

IEC 61850 định nghĩa ngôn ngữ truyền thông trong tự động hóa trạm biến áp. Vì các IED gắn liền với hệ thống tự động hóa nên các thiết bị phải có một số thông tin giao tiếp với các thiết bị khác trong trạm như thế nào. Một số cấu hình phải được thực hiện trước khi các thiết bị làm việc với nhau như thiết kế.

Khả năng dự phòng và độ tin cậy của hệ thống

Khả năng dự phòng sẽ là một mối quan tâm. Nó đảm bảo cho các hệ thống làm việc tin cậy. Các trạm biến áp lớn thường có hai hệ thống bảo vệ song song và có giải pháp khác để tạo sự tin cậy và khả năng dự phòng. Trong các trạm biến áp nhỏ hơn thì không cần sử dụng hệ thống song song, IEC 61850 hỗ trợ các phương tiện khác để hệ thống tin cậy hơn. 

Đồng bộ hóa thời gian

Các sự kiện trong trạm có các yêu cầu thực thi nghiêm ngặt nên việc đồng bộ hóa thời gian đóng một vai trò quan trọng trong IEC 61850. Đối với mục đích quản lý các sự kiện trong trạm biến áp, các nhãn thời gian của sự kiện phải được nhất quán.

An ninh mạng

Bản thân tiêu chuẩn IEC 61850 không chứa các giải pháp bảo mật. An ninh mạng nằm ngoài phạm vi của tiêu chuẩn và do đó nó liên quan chủ yếu đến đơn vị xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp để xem xét các giải pháp và bảo vệ an toàn hệ thống. IEC 61850 dựa trên giao thức truyền thông hiện đại, nó phải đối mặt với các vấn đề an ninh mạng như các cuộc tấn công xâm nhập từ bên ngoài. Ethernet cung cấp một số bảo mật riêng để chống lại những kẻ xâm nhập nguy hiểm, các công nghệ bảo mật cần thiết như định tuyến IP, tường lửa, … 

Kết luận

IEC 61850 cung cấp một giao diện trung lập nhằm trao đổi dữ liệu tương thích giữa các thành phần của hệ thống tự động hóa trạm biến áp trên cơ sở các logical node. Ngôn ngữ cấu hình trạm tự động hóa với mô hình đối tượng dữ liệu của IEC 61850 cho phép sử dụng nhiều công cụ khác nhau của các nhà sản xuất để biên dịch các thông tin trong các IED.

IEC 61850 sẽ là tiêu chuẩn toàn cầu được sử dụng thống nhất cho hệ thống tự động hóa trạm biến áp.