Bài viết này sẽ đề cập việc thu thập dữ liệu và giao thức truyền thông IEC 61850 trong trạm biến áp. IEC 61850 là giao thức chuẩn tự động hóa trạm biến áp. IEC 61850giúp các thiết bị của nhiều nhà cung cấp hoạt động tương thích với nhau. Trước đây, việc sử dụng các giao thức riêng biệt khiến gây nhiều khó khăn cho việc tự động hóa trạm biến áp.
Hệ thống thu thập dữ liệu ở trạm biến áp truyền dữ liệu từ thiết bị đo UGPSSM (Thiết bị đo đồng bộ thời gian GPS phổ thông - Universal GPS time-synchronized meters) tới trung tâm điều khiển. Việc này được thực hiện qua nhiều kiểu kiến trúc khác nhau.
Có ba kiểu thu thập dữ liệu tại trạm biến áp: điểm tới điểm, nối mạng và không dây. Trong trạm biến áp sẽ sử dụng trong tương lai dữ liệu được khởi tạo từ thiết bị đo đồng bộ thời gian GPS (UGPSSM).
Thiết bị UGPSSM tương tự thiết bị IEC 61850. Mỗi thiết bị UGPSSM sẽ lấy mẫu, số hóa và chèn thông số thời gian GPS vào dữ liệu trạm biến áp.
Dưới đây sẽ đề cập chức năng và phần cứng thiết bị UGPSSM.
Sơ đồ hệ thống thu thập dữ liệu ở cấp trạm biến áp được nêu trong giao thức IEC 61850 phần “Communication Networks and Systems for Power Utility Automation - Mạng và Hệ thống Truyền thông cho tự động hóa thiết bị điện” được thể hiện trong Hình 1. Ví dụ về công nghệ hiện đang sử dụng sơ đồ này là GE HardFiber.
Hình 1 - Hệ thống HardFiber trong trạm biến áp
Hình 2, Thiết bị trộn tín hiệu (merging units - MU) là thiết bị thu thập dữ liệu từ tương tự sang số bằng cách lấy mẫu và số hóa số đo điện. Số đo điện là tín hiệu tương tự hoặc số quan tâm.
Số đo tương tự bao gồm:
- Tín hiệu điện áp và dòng điện từ máy biến điện thế (potential transformer - PT) và máy biến dòng điện (CT).
- Tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến nhiệt độ (resistance temperature detectors - RTD).
- Tỷ số biến áp từ máy biến áp potentiometer.
Hình 2 - Thiết kế thu thập dữ liệu ở mức trạm biến áp giao thức IEC 61850
Thiết bị đo số bao gồm đầu ra tiếp điểm phụ ... Bộ trộn tín hiệu (Merging Unit - MU) được đặt gần nguồn tín hiệu theo dõi giảm thiểu việc bị mất tín hiệu. Trong hệ thống GE Hard Fiber, thiết bị trộn được gọi là Bricks. Brick có vỏ ngoài bền vững dùng được ngoài trời và môi trường khắc nghiệt tại trạm biến áp.
Trong hình 2, thiết bị MU kết nối với bus xử lý theo mô hình Điểm - Điểm. Tốc độ truyền dữ liệu ở đây rất cao nên yêu cầu giao thức truyền dữ liệu điểm - điểm cao cấp.
Trong GE HardFiber, thiết bị trộn MU kết nối thiết bị đầu cuối trạm sử dụng hệ thống cáp quang đúc sẵn (prefabricated fiber optic cabling) và panel đấu chéo (Cross Connect panels).
Hình 3 - Mô hình Hard Fiber
Pannel đấu chéo đặt trong tủ điều khiển kết nối bộ trộn tín hiệu với rơ le bảo vệ, đồng hồ đo và thiết bị điện thông minh (IED). Thanh đấu chéo cho phép chuyển đổi sợi quang giữa cổng thiết bị trộn và cổng thiết bị điện thông minh. Quá trình cài đặt sẽ yêu cầu thiết lập kênh quang cố định giữa bộ trộn tín hiệu Brick và thiết bị điện thông minh tương ứng.
Hình 4 - Đấu chéo giữa Brick và thiết bị IED.
Trong hình 2 khối process bus biểu diễn đấu chéo dữ liệu giữa IED và bộ trộn MU. Thiết bị IED sử dụng dữ liệu số từ MU để tạo ra dữ liệu bổ sung. Hard Fiber dùng sợi cáp quang đúc sẵn tạo kênh kết nối quang liên tục bền vững giữa bộ trộn tín hiệu Brick và thiết bị IED.
Trong hình 2 rơ le và PMU cấp dữ liệu bổ sung bus trạm bao gồm: điện áp và độ lớn dòng, điện áp hiệu dụng (root mean square) ... trên dữ liệu từ bộ trộn MU. Dữ liệu bổ sung đòi hỏi nhiều điểm đo mẫu dữ liệu, ví dụ như tín độ lớn dòng từ mẫu dữ liệu lấy trong toàn chu kì.
Trong hình 2 bus dữ liệu tạo luồng dữ liệu giữa thiết bị IED, máy tính điều khiển trạm, và phần cứng GATE way. Kiến trúc cho phép IED gửi thông báo, kết nối giao diện người mày và giao tiếp thiết bị bên ngoài.
Ưu điểm của Hard Fiber:
- Chuẩn hóa kết nối sợi quang.
- Sợi quang đúc sẵn tiện sử dụng.
- Thiết kế, lắp đặt, hiệu chỉnh và vận hành dễ dàng.
- Sử dụng rơ le GE UR series với thiết bị IED tương thích 61850 khác.
- IDE khác nhau ghi được dữ liệu với tốc độ lấy mẫu khác nhau.
"IEC 61850 cho phép thiết bị cũ hoạt động được trong trạm biến áp với thiết bị mới hơn. Hình 2 thể hiện Rơ le A và theo dõi điện áp, dòng điện PMU A kết nối thiết bị đo qua kênh tương tự".
IEC 61850 còn hơn là giao thức trao đổi dữ liệu. Nó gồm giao thức trao đổi dữ liệu và quy định dữ liệu dữ liệu nào giao tiếp với thiết bị nào.
Mục đích của IEC 61850 là tạo ra giao thức cho phép tương tác giữa các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau.
Dữ liệu thu thập trong trạm biến áp được sử dụng cục bộ và truyền ra ngoài đến trung tâm điều khiển. Có ba kiểu kiến trúc thu thập dữ liệu sẽ được sử dụng trong tương lai.
Kiến trúc điểm - điểm được thể hiện ở hình 5.
Hình 5 - Kiến trúc điểm điểm thu thập dữ liệu
Thiết bị Đo Đồng bộ thời gian Định vị Vệ Tinh Toàn Cầu (UGPSSM) kết nối với nhau bằng cáp đồng hoặc cáp quang.
Ưu điểm của kiến trúc Điểm - Điểm: Tốc độ dữ liệu cực lớn.
Nhược điểm của kiến trúc Điểm - Điểm:
Tốn nhiều vật tư, thiết bị hạ tầng nhất.
Mô hình kiến trúc nối mạng thể hiện ở hình 6.
Hình 6 - Thu thập dữ liệu theo kiến trúc nối mạng.
Theo kiến trúc Nối mạng các thiết bị đo UGPSSM kết nối với bộ định tuyến router trước khi nối với trung tâm điều khiển. Việc sử dụng thiết bị này làm giảm số kết nối trong hệ thống.
Tuy nhiên kiểu kết nối mạng thế này sẽ yêu cầu hệ thống mạng đặc biệt có độ tin cậy cao.
Kiến trúc Nối mạng kiểu này được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và thương mại.
Việc sử dụng hệ thống mạng trong trạm biến áp hiện vẫn bị giới hạn. Nguyên nhân chủ yếu do độ trễ, độ tin cậy, yêu cầu đáp ứng thời gian thực với thiết bị mạng trong môi trường tự động hóa trạm biến áp.
Ưu điểm của kiến trúc nối mạng:
- Yêu cầu ít hơn kênh kết nối.
- Yêu cầu ít hơn thiết bị kết nối.
Nhược điểm của kiến trúc nối mạng:
- Trao đổi thông tin nhiều gây nghẽn và trễ mạng.
Mô hình kiến trúc không dây được thể hiện trọng hình 7.
Hình 7. Thu thập dữ liệu theo kiến trúc không dây.
Kiến trúc thu thập dữ liệu không dây có điểm giống và khác với hai kiến trúc thu thập dữ liệu đã trình bày ở trên. Đến ngày nay kiến trúc thu thập dữ liệu mạng không dây đã không được sử dụng trong trạm biến áp nữa mà chủ yếu sử dụng trong các lĩnh vực khác thu thập dữ liệu hệ thống điện.
Trong hình 7 thiết bị đo UGPSSM dùng modem không dây truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển.
Với truyền dữ liệu không dây việc bảo mật dữ liệu là ưu tiên hàng đầu. Vì thế người ta khuyên nên sử dụng ăng ten không dây định hướng để tránh mất mát dữ liệu ra bên ngoài.
Truyền dữ liệu không dây yêu cầu modem không dây tại mỗi điểm đo. Modem không dây lại gây nên vấn đề về độ tin cậy truyền dữ liệu liên tục.
Ưu điểm của kiến trúc không dây:
- Đầu tư ít cho kênh kết nối.
- Đầu tư ít cho thiết bị hạ tầng kết nối.
Nhược điểm của kiến trúc không dây:
- An toàn thông tin kém.
- Tốc độ truyền thông tin chậm.
Các giao thức truyền thông sau được sử dụng trong trạm biến áp:
DNP3
MODBUS
IEC 60890-5-103
IEEE C37.118
SEL Fast Message Protocol
Các trạm biến áp đòi hỏi giao thức số tốc độ cao và tin cậy hoạt động trong môi trường điện áp cao thế.
Thiết bị đo UGPSSM có giao diện kết nối chuẩn phổ dụng đầu vào và đầu ra dữ liệu, giữa thiết bị trạm biến áp và thiết bị trung tâm điều khiển, tạo nên cấu trúc tự động hóa trạm biến áp trong tương lai.
UGPSSM là thiết bị IEC 61850. UGPSSM xử lý tất cả phép đo tương tự, phép đo số và tín hiệu điều khiển. Quá trình xử lý đo tương tự gồm lấy mẫu, số hóa, chèn tín hiệu định vị toàn cầu GPS.
Hình 8 là sơ đồ khối việc xử lý tín hiệu tương tự trong thiết bị UGPSSM . Kênh tín hiệu số bao gồm nguồn quang (optical isolation), microprocessor (µP), vòng khóa phase (phase lock loop - PLL), và tín hiệu định vị GPS clock signal. Kênh điều khiển gồm nguồn quang và bộ xử lý µP.
Hình 8 - Sơ đồ khối xử lý tín hiệu tương tự trong thiết bị đo UGPSSM .
Bộ số hóa A/D thực hiện điều chế 16 bit sigma/delta từ tương tự sang số. Tín hiệu GPS đồng bộ được chèn vào mỗi tín hiệu đo. UGPSSM cũng có nguồn quang giữa thiết bị điện áp thấp và thiết bị trạm biến áp.
UGPSSM được lắp gần thiết bị trạm biến áp dùng theo dõi để tối thiểu việc gián đoạn tín hiệu tương tự năng điện áp thấp.
Tín hiệu từ thiết bị SuperCalibrator trong hình 8 dùng hiệu chỉnh tự động các kênh đo, tạo nên kênh đo tự hiệu chỉnh trong tự động hóa trạm biến áp tương lai.
SuperCalibrator cung cấp định lượng lỗi kênh đo, theo dõi sai số kênh đo dẫn đến định lượng kênh đo hoạt động tốt. Việc định lượng này dùng làm tín hiệu phản hồi tự động tăng độ chính xác kênh đo.
Việc tăng độ chính xác kênh đo sẽ làm tăng độ chính xác xử lý thiết bị trạm biến áp.