IEC 61850 là tiêu chuẩn quốc tế xác định giao thức truyền thông giữa các thiết bị điện thông minh dùng trong trạm biến áp. IEC 61850 là một phần trong các tiêu chuẩn của Nhóm Kỹ thuật 57 (TC57) - Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (International Electrotechnical Commission-IEC) cho hệ thống điện. Mô hình dữ liệu mô tả được định nghĩa trong IEC 61850 được chia thành nhiều giao thức. Bao gồm MMS (Manufacturing Message Specification), GOOSE (Generic Object Oriented System Event), SMV (Sampled Measured Values), và sắp tới là Web Services. Các giao thức dùngTCP / IP hoặc mạng LAN trạm biến áp sử dụng switch công nghiệp tốc độ cao với thời gian trễ dưới 4 milliseconds.
IEC 61850 gồm các phần
IEC 61850-1: Giới thiệu và tổng quan
IEC 61850-2: Các khái niệm
IEC 61850-3: Yêu cầu chung
IEC 61850-4: IEC 61.850-4 : Quản lý hệ thống và dự án
IEC 61850-5: Yêu cầu kết nối cho chức năng và mô hình thiết bị.
IEC 61850-6: Configuration language for communication in electrical substations related to IEDs - Ed.2">IEC 61.850-6 : Ngôn ngữ cấu hình để giao tiếp thiết bị điện thông minh trong trạm biến áp.
IEC 61.850-7 : Cơ cấu truyền thông cơ bản cho trạm biến áp và thiết bị trung chuyển
IEC 61850-7-1 : Nguyên tắc và mô hình - Ed.2
IEC 61850-7-2 : Tóm tắt giao diện dịch vụ thông tin liên lạc ( ACSI ) - Ed.2
IEC 61850-7-3 : Common Data Classe - Ed.2
IEC 61850-7-4 : lớp dữ liệu và lớp logical tương thích - Ed.2
IEC 61850-7-10 : Mạng và và hệ thống viễn thông trong tự động hóa điện lực - Yêu cầu đối với web-based và cấu trúc truy cập đến mô hình thông tin IEC 61850.
IEC 61.850-8 : đặc tả kết nối dịch vụ truyền thông SCSM
IEC 61850-8-1 : MMS ( ISO/IEC9506-1 và ISO / IEC 9506-2 ) - Ed.2
IEC 61.850-9 : đặc tả kết nối dịch vụ truyền thông SCSM
IEC 61850-9-1 : giá trị lấy mẫu trên nối tiếp một chiều điểm đa điểm để liên kết điểm
IEC 61850-9-2 : giá trị lấy mẫu trên tiêu chuẩn ISO / IEC 8802-3 - Ed.2
IEC 61850-10 - : Hệ thống và mạng truyền thông tự động hóa lưới điện - Kiểm tra tương thích
Lịch sử ra đời
Nhiều giao thức tồn tại trong trạm biến áp tự động, trong đó rất nhiều giao thức độc quyền cho liên kết viễn thông thiết bị. Sự cần thiết của tính tương thích (Interoperation) giữa thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau đem lại thuận tiện triển khai tự động hóa trạm biến áp. Nhóm dự án viễn thông của khoảng 60 thành viên từ các quốc gia khác nhau làm việc thành 3 nhóm viễn thông từ năm 1995. Họ đáp ứng các mỗi quan tâm và mục tiêu tạo ra tiêu chuẩn IEC 61850. Mục tiêu đặt ra cho các tiêu chuẩn là:
Một giao thức duy nhất cho trạm biến áp cho toàn bộ các mô hình dữ liệu khác nhau trong trạm.
Định nghĩa dịch vụ cơ bản cần thiết để chuyển dữ liệu đáp ứng giao thức viễn thông có thể sử dụng trong tương lai.
Thúc đẩy khả năng tương tác cao giữa các hệ thống từ các nhà cung cấp khác nhau.
Phương pháp / định dạng phổ biến để lưu trữ dữ liệu hoàn chỉnh.
Xác định quy trình thử nghiệm thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn.
Đặc tính
IEC 61850 bao gồm tính năng:
Mô hình hóa dữ liệu - Các quá trình xử lý chính cũng như chức năng kiểm soát và bảo vệ trong trạm biến áp được mô hình hóa thành các node logical tiêu chuẩn mà được gộp lại thành các thiết bị logical khác nhau. Bao gồm node logical cho dữ liệu / chức năng thuộc thiết bị logical (logical device - LLN0 ) và thiết bị vật lý ( physical device -LPHD ) .
Phương pháp Báo cáo - Có các phương pháp báo cáo khác nhau ( BRCB & URCB ) cho báo cáo dữ liệu từ máy chủ thông qua cơ chế client - server được kích hoạt dựa trên điều kiện kích hoạt được xác định trước .
Truyền nhanh sự kiện - Sự kiện Trạm biến áp (Generic Substation Events - GSE) được định nghĩa để truyền nhanh theo chế độ truyền thông peer-to -peer . Được chia thành GOOSE & GSSE.
Nhóm Thiết lập - Nhóm thiết lập điều khiển các khối ( SGCB ) được định nghĩa trong các nhóm thiết lập để người dùng có thể kích hoạt bất kỳ nhóm nào dựa trên điều khiện yêu cầu.
Phương pháp - Truyền Dữ liệu mẫu - Phương pháp truyền dữ liệu mẫu dùng khối Sampled Value Control (SVCB)
Lệnh - Các loại lệnh khác nhau dùng bởi IEC 61850 bao gồm trực tiếp và lựa chọn trước khi hoạt động ( SBO ) với mức an ninh bình thường và nâng cao.
Lưu trữ dữ liệu - Ngôn ngữ Cấu hình Trạm biến áp (Substation Configuration Language - SCL ) dùng thiết lập lưu trữ toàn bộ dữ liệu cấu hình trạm biến áp theo định dạng cụ thể.
Một số tiêu chuẩn phụ
IEC 61850-8-1: Hệ thống mạng và truyền thông dành cho điện - năng lượng - tự động hóa. Phần 8-1: truyền thông mapping dịch vụ (Specific communication service mapping - SCSM) - Mapping sang MMS (ISO 9506-1 and ISO 9506-2) và ISO/IEC 8802-3
Phần này miêu tả cách trao đổi dữ liệu quan trọng và không quan trọng trong mạng nội bộ bằng cách mapping từ khung dữ liệu ACSI sang MMS và ISO/IEC 8802-3.
Dịch vụ và giao thức MMS được sử dụng trong mô hình OSI-A-Profile vàTCP T-Profile. MMS hỗ trợ cả kiến trúc tập trung và phân tán, dùng để trao đổi chỉ dẫn dữ liệu thời gian thực, điều khiển và báo cáo.
Tiêu chuẩn này sẽ mapping đối tượng và dịch vụ từ ACSI (ACSI (Abstract Communication Service Interface, IEC 61850-7-2) sang khung dữ liệu MMS ((Manufacturing Message Specification, ISO 9506) và ISO/IEC 8802-3. Tiêu chuẩn này cũng mapping cả các thông tin không cấp thiết sang giao thức không MMS. Bao gồm cú pháp giao thức, cách maping sang ISO/IEC 8802-3 và các quy trình trong ISO/IEC 8802-3 .
Việc mapping từ ACSI sang MMS xác định triển khai các khái niệm, đối tượng và dịch vụ ACSI bằng khái niệm, đối tượng và dịch vụ MMS, cho phép các nhà sản xuất thiết bị khác nhau sử dụng lẫn nhau.
Phần này của bộ tiêu chuẩn IEC 61850 chuẩn hóa việc dùng ISO 9506 để trao đổi dữ liệu dịch vụ. Nó miêu tả thiết bị điện với dữ liệu xuất ra được và hành vi với mô hình đối tượng. Việc dùng mapping có rất nhiều ứng dụng trong mạng truyền thông năng lượng. Phần mapping IEC 61850 dịch vụ và đối tượng này được chi tiết trong tiêu chuẩn IEC 61850-7-2, IEC 61850-7-3, và IEC 61850-7-4.
IEC 61850-9-2 Hệ thống và mạng truyền thông tin điện - năng lượng -tự động hóa. Phần IEC 61850-9-2: tiêu chuẩn kết nối ánh xạ dịch vụ (communication service mapping - SCSM) giá trị lấy mẫu theo ISO/IEC 8802-3.
Phần này của tiêu chuẩn IEC 61850 quy định ánh xạ dịch vụ truyền thông SCSM để lấy giá trị mẫu theo IEC 61850-7-2. Ánh xạ truy cập trực tiếp liên kết truyền mẫu ISO/IEC 8802-3. Mỗi SCSM gồm 3 phần:
- Đặc điểm kỹ thuật của ngăn xếp truyền thông (communication stack) sử dụng.
- Ánh xạ các thông số theo IEC 61850-7 tới các phần tử thực của ngăn xếp.
- Thông số chức năng ngăn xếp sử dụng.
Phạm vi và mục đích
IEC 61850-9-2 ánh xạ các giá trị lấy mẫu đến ISO/IEC 8802-3 (Ethernet) để truyền thông trong mạng điện lực, năng lượng.
Nó nhắm mục đích chuẩn hóa cách truyền giá trị lấy mẫu qua mạng Ethernet đảm bảo khả năng tương tác thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau.
Giá trị lấy mẫu
Giá trị lấy mẫu là biểu diễn số hóa của giá trị tương tự (như dòng điện hoặc điện áp) được lấy mẫu theo khoảng thời gian cụ thể.
Những giá trị này rất quan trọng cho chức năng điều khiển, bảo vệ và giám sát trong hệ thống tự động hóa lưới điện.
Ánh xạ truyền thông dịch vụ (Communication Service Mapping - SCSM)
Tiêu chuẩn quy định cách giá trị mẫu được đóng gói và truyền qua mạng Ethernet. Bao gồm cấu trúc gói dữ liệu, phương thức đồng bộ và giao thức kết nối.
ISO/IEC 8802-3
Là tiêu chuẩn quốc tế cho Ethernet. Bằng ánh xạ giá trị mẫu sang Ethernet, IEC 61850-9-2 giúp ngành điện và năng lượng tận dụng được tính năng mạnh mẽ của mạng Ethernet, tiết kiệm chi phí.
IEC 61850-3
IEC 61850-3 là một phần của tiêu chuẩn IEC IEC 61850, tập trung vào việc cấu tạo, thiết kế và điều kiện môi trường cho thiết bị điện thông minh IED dùng trong nhà máy điện và trạm biến áp. Một số thông số kỹ thuật chính bao gồm:
Yêu cầu chung:
Cấu tạo: IED phải được cấu tạo chắc chắn và bển bỉ chịu được điều kiện khắc nghiệt trong môi trường nhà máy điện và trạm biến áp.
Thiết kế: IED phải được thiết kế để hoạt động tin cậy và bảo trì dễ dàng.
Điều kiện môi trường: IED phải đáp ứng các tiêu chí thử nghiệm môi trường cụ thể, bao gồm các thử nghiệm về nhiệt độ lạnh, nhiệt độ khô, nhiệt độ ẩm và thay đổi nhiệt độ.
An toàn và EMC
An toàn: tuân thủ tiêu chuẩn an toàn thiết bị điện IEC 60255-27.
Tương thích điện từ EMC: IED phải tuân thủ EMC để tránh gây nhiễu cho các thiết bị khác. Miễn nhiễm điện từ: IED phải miễn nhiễm điện từ từ các nguồn như sét, đóng mở mạch điện, nhiễu tần số cao. Phát xạ: tuân thủ tiêu chuẩn như IEC 61000-6-5 không gây nhiễu các thiết bị khác.
Quy trình thử nghiệm:
Thử nghiệm lạnh: Thiết bị được thử nghiệm ở nhiệt độ thấp để đảm bảo chúng có thể khởi động và hoạt động chính xác trong điều kiện lạnh.
Thử nghiệm nhiệt khô: Đảm bảo hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ cao.
Thử nghiệm nhiệt ẩm: Kiểm tra khả năng chống lại độ ẩm cao và ngưng tụ.
IEC 61850-6: Ngôn ngữ Mô tả Cấu hình truyền thông thiết bị điện thông minh IED
Phần này của tiêu chuẩn IEC61850 dùng xác định ngôn ngữ miêu tả cấu hình dùng thiết bị điện thông minh IED. Ngôn ngữ này được gọi là System Configuration description Language (SCL), dùng miêu tả cấu hình và cách thức thiết bị điện IED truyền thông với nhau theo IEC 61850-5 và IEC 61850-7-x. Nó miêu tả mối quan hệ giữa hệ thống tự động hóa năng lượng và quy trình vận hành (tại trạm, ngăn lộ). Với mức ứng dụng, nó miêu tả sơ đồ ngăn lộ với chức năng tự động hóa trạm (SAS) logical nodes được cấu hình trên IED.
SCL cho phép cấu hình của IED được truyền thông lên hệ thống, nạp lên phần mềm công cụ vận hành (system engineering tool), và nạp lại lên toàn hệ thống đến Công cụ Cấu hình IED (IED configuration tool) dạng tệp tin phù hợp. Mục đích của nó là cho phép tương thích giữa Công cụ Cấu hình IED (IED configuration tool) và Công cụ cấu hình hệ thống từ nhiều nhà sản xuất khác nhau.
SCL xác định:
Cấu trúc trạm (ngăn lộ, mức điện áp, thiết bị).
Mạng truyền thông.
Khả năng của IED (Thiết bị vật lý logical devices/ Chức năngfunctions).
Liên kết giữa chức năng với thiết bị vật lý.
Luồng dữ liệu và truyền thông giữa các thiết bị.
Các kiểu tệp tin SCL
| SSD (System Specification Description) | Miêu tả thiết kế cấp hệ thống mà không tham chiếu đến IED cụ thể |
| SCD (System Configuration Description) | Cấu hình toàn bộ trạm bao gồm IED và truyền thông. |
| ICD (IED Capability Description) | Miêu tả khả năng của IED riêng lẻ. |
| CID (Configured IED Description) | Tệp đã được nạp cấu hình của IED cụ thể. |
| IID (Instantiated IED Description) | Tập các SCD của IED dùng cho phần mềm công cụ vận hành. |
| SED (System Exchange Description) | Dùng tích hợp dự án cho nhiều bên. |
Lợi ích của SCL
Cho phép tương thích IED giữa nhiều nhà cung cấp khác nhau.
Tạo thuận lợi cho công cụ tự động cấu hình và phần mềm vận hành.
Cho phép tái sử dụng cấu hình và kiểm tra thiết kế hệ thống.
Mô hình Điều khiển IEC 61850
Để gửi lệnh vận hành thiết bị điều khiển, phải thực hiện vận hành theo mô hình điều khiển. Các thông tin bao gồm:
Mức bảo mật vận hành.
Dịch vụ yêu cầu cho vận hành.
Dữ liệu cho quản lý và theo dõi vận hành.
Mục tiêu đảm bảo an toàn cho thao tác vận hành, không thể chỉ thay đổi thiết bị bảo vệ bằng cách thay đổi giá trị mong muốn.
Vận hành
Để đưa lệnh đến thiết bị IEC 61850 cần đưa ra các lệnh sau:
- Điều khiển với mức bảo mật thông thường (Control with normal security).
- Trực tiếp điều khiển với mức bảo mật thông thường (Direct control with normal security).
- Chọn trước khi vận hành với mức an toàn thông thường (Select before operate (SBO) control with normal security).
- - Điều khiển mức bảo mật nâng cao.
- Trực tiếp điều khiển với mức bảo mật nâng cao (Direct control with enhanced security).
- Chọn trước khi vận hành với mức bảo mật nâng cao (Select before operate (SBO) control with enhanced security).
Trực tiếp điều khiển là khởi động thao tác vận hành tại thiết bị mà không cần kiểm tra an toàn. Thao tác này dùng điều khiển đối tượng tại mức thiết bị hoặc đối tượng bên ngoài không quan trọng. Thao tác này không bảo vệ được thiết bị nhận lệnh điều khiển từ nhiều nguồn khác nhau.
Điều khiển với mức bảo mật thông thường
Trạng thái của đối tượng bị điều khiển không được giám sát. Máy khách (client) không được thông báo điều khiển thành công hay thất bại.
Trực tiếp điều khiển với mức bảo mật thông thường
Cho phép thực hiện lệnh Operate, TimeActivatedOperate và Cancel. Lệnh được thực hiện ngay lập tức bằng dịch vụ Operate hoặc TimeActivatedOperate.
Chọn trước khi vận hành với mức bảo mật thông thường
Cho phép thực hiện Select, Operate, TimeActivatedOperate và Cancel. Trước khi thực hiện lệnh phải chọn đối tượng bị điều khiển qua Select.
Điều khiển với mức bảo mật nâng cao
Khi vận hành với mức bảo mật nâng cao trạng thái thiết bị bị điều khiển sẽ được giám sát, và trạng thái lệnh điều khiển thành công hay thất bại sẽ được thông báo lại.
Trực tiếp điều khiển với mức bảo mật nâng cao
Cho phép thực hiện Operate, TimeActivatedOperate và Cancel. Lệnh được thực hiện ngay lập tức qua Operate hoặc TimeActivatedOperate.
Chọn trước khi vận hành với mức bảo mật nâng cao
Cho phép thực hiện các lệnh SelectWithValue, Operate, TimeActivatedOperate và Cancel. Trước khi thực hiện lệnh phải chọn đối tượng bị điều khiển bằng Select.
Operate
Dùng gửi lệnh ví dụ thay đổi vị trí trên rơ le bảo vệ.
TimeActivatedOperate
Dùng chọn trước thời gian thực hiện lệnh.
Cancel
Dùng hủy lệnh trước thời điểm thực hiện lệnh.
Select
Dùng lựa chọn thiết bị sẽ thực hiện lệnh. Lệnh phải được thực hiện trong khoảng thời gian sboTimeout. Trong khoảng thời gian này, thiết bị được dành riêng máy khách đã chọn thiết bị. Thiết bị chỉ được nhả ra cho các máy khách khác điều khiển ngoài khoảng thời gian này hoặc bằng lệnh hủy.
SelectWithValue
Lệnh này tương tự lệnh Select nhưng có gửi kèm giá trị điều khiển.
Cấu trúc dữ liệu
IEC định nghĩa các cấu trúc dữ liệu sau cho vận hành và giám sát đối tượng bị điều khiển:
Cấu trúc Oper và SBOw
Các cấu trúc này được sử dụng để gọi các dịch vụ Operate, TimeActivatedOperate, Select và SelectWithValue.
| Elements | OA transformation type |
|---|---|
| ctlVal | Depends on the CDC type |
| operTm | TIMESTAMP |
| origin.Orcat | INT32 |
| origin.orIdent | OCTET STRING64 |
| ctlNum | INT8U |
| T | TIMESTAMP |
| Test | BOOLEAN |
| Check | BITSTRING |
Cấu trúc Cancel
Cấu trúc này được sử dụng để gọi lệnh Cancel.
| Elements | transformation type |
|---|---|
| ctlVal | Depends on the CDC type |
| operTm | TIMESTAMP |
| origin.Orcat | INT32 |
| origin.orIdent | OCTET STRING64 |
| ctlNum | INT8U |
| T | TIMESTAMP |
| Test | BOOLEAN |
Cấu trúc này được ràng buộc với nhau qua hàm CO (Controllable). Trong thiết bị, cấu trúc dữ liệu được tổ chức theo hình vẽ dưới đây.
IEC 61850-10 - : Hệ thống và mạng truyền thông tự động hóa lưới điện - Kiểm tra tương thích
IEC 61850-10 đưa ra phương pháp, thông số bắt buộc, quy trình thử nghiệm thiết bị điện thông minh IED có tương thích với tiêu chuẩn IEC 61850 hay không.
Các thành phần trong IEC61850-10
Protocol Implementation Conformance Statement (PICS): thử nghiệm các giao thức truyền thông như GOOSE, MMS ... được hỗ trợ.
Model Implementation Conformance Statement (MICS): Mô tả chi tiết mô hình dữ liệu trong thiết bị. Chỉ ra các logical nodes, data objects, và functional models có trên thiết bị.
Protocol Implementation extra Information for Testing (PIXIT): Thông tin chi tiết thêm của nhà cung cấp cho Bên thử nghiệm để thử nghiệm giao thức truyền thông, ví dụ như khoảng thời gian truyền lại thông điệp GOOSE.
Technical issue Implementation Conformance Statement (TICS): theo dõi việc cập nhập bản sửa lỗi so với các tiêu chuẩn đã đưa ra trước đó.
Các thử nghiệm chính IEC 61850-10
Thông điệp GOOSE.
DỊch vụ MMS services (đọc/ghi, mô hình điều khiển, báo cáo)
Đồng bộ thời gian (SNTP hoặc IEEE 1588)
Truyền têp (IED logs).
Report control blocks (buffered/unbuffered).
Khả năng thực hiện và khôi phục.
Tầm quan trọng của thử nghiệm IEC 61850-10
Đảm bảo thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau có thể kết nối và tương thích trong trạm biến áp.
Cung cấp chứng chỉ tương thích ví dụ như UCAIug.
Cho phép bên sử dụng so sánh IED từ cá nhà sản xuất khác nhau.