Những yêu cầu đối với mạng Ethernet trong tự động hóa trạm biến áp (Phần 1)

Nguồn: Moxa Website

Giới thiệu

Ethernet mang lại rất nhiều lợi thế, điều đó làm được lựa chọn trở thành nền tảng truyền thông trong các hệ thống tự động hóa trạm biến áp trên toàn thế giới, với phạm vi rộng, khả năng linh hoạt và tốc độ cao. Tuy nhiên, có một vài vấn đề đặc biệt cần phải thực hiện để đảm bảo hiệu suất tối đa và độ tin cậy cho những yêu cầu và môi trường trong các trạm biến áp. Bài viết trình bày một số điểm quan trọng nhất mà nhà các nhà quản lý điện lực phải xem xét khi thiết lập một mạng Ethernet cho trạm biến áp.

Các yêu về cầu chứng chỉ và phần cứng

IEC 61850-3

Các trạm biến áp đặc trưng bởi các điều kiện hoạt động khắc nghiệt và mức độ bức xạ điện từ cao. Thiết bị truyền thông được sử dụng trong các trạm biến áp phải được thiết kế để hoạt động theo các điều kiện này. Do đặc tính quan của quá trình vận hành trạm biến áp, các thiết bị thông tin liên lạc cũng phải thể hiện các tiêu chuẩn cao hơn về độ tin cậy so với hoạt động trong các lĩnh vực khác. Giấy chứng nhận thiết bị là một phương pháp quan trọng để đảm bảo rằng một thiết bị mạng sẽ phù hợp để triển khai trong một hệ thống tự động hóa trạm biến áp.

Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) là một tổ chức tiêu chuẩn quốc tế được thành lập bởi các chuyên gia từ các nước phát triển. IEC 61850 đã được đưa ra như là một tiêu chuẩn duy nhất, mang tính toàn cầu và phù hợp với sự phát triển trong tương lai cho truyền thông trạm biến áp. Phần ba của IEC 61850 (IEC 61850-3) đề cập cụ thể về môi trường và chống nhiễu điện từ (EMI) cho các mạng và hệ thống thông tin liên lạc trong trạm biến áp. Chứng nhận cho IEC 61850-3 đã trở thành một yêu cầu cơ bản hữu ích cho các thiết bị truyền thông trong trạm biến áp, và được tham khảo rộng rãi trên toàn thế giới.

Các yêu cầu chống nhiễu điện từ EMI cho các thiết bị truyền thông trạm biến áp dựa trên IEC 61000-6-5 (tiêu chuẩn chung – chống nhiễu cho nhà máy điện và môi trường trạm biến), trong đó thiết lập các tiêu chuẩn vận hành cho các chức năng chính trong trạm biến áp. Để tuân thủ các tiêu chuẩn, các chức năng quan trọng phải được thực hiện mà không có độ trễ hoặc thất thoát dữ liệu khi tiếp xúc với các loại nhiễu EMI khác nhau. Ví dụ về các chức năng quan trọng như chức năng bảo vệ và bảo vệ từ xa tín hiệu điện, điều khiến và thực thi on-line, và đo lường. Các yêu cầu và qui trình kiểm tra chi tiết được quy định trong IEC 61.000-4-x series và bao gồm những điều sau đây:

• Chống phóng tĩnh điện
• Chống nhiễu trường điện từ, bức xạ, tần số vô tuyến
• Chống dòng quá độ / cục bộ, chống sốc điện
• Chống nhiễu điều khiển, gây ra bởi tần số vô tuyến
• Chống nhiễu từ trường tần số nguồn
• Chống nhiễu sóng dao động
• Chống nhiễu để hoạt động bình thường tại dải tần số 0 Hz đến 150 kHz.
• Khử nhấp nhô tại đầu vào nguồn điện áp DC
• Chống sụt áp, mất áp và biến thiên điện áp tại đầu vào nguồn điện áp DC

IEEE 1613

IEEE 1613 là một tiêu chuẩn công nghiệp và được phát triển bởi Hiệp hội Kỹ sư điện (PES). Nó cũng chỉ rõ các yêu cầu chống nhiễu EMI cho các thiết bị mạng trong trạm biến áp điện. Theo đánh giá của IEEE 1613, môi trường hoạt động và các thí nghiệm là cần thiết cho các thiết bị truyền thông phù hợp. Các thiết bị phù hợp có thể không bị ảnh hưởng lâu dài dưới tác động EMI.

Hai dạng của các thiết bị phù hợp được phân loại rõ theo sự tác động của EMI tới hiệu suất hoạt động. Lớp thiết bị thứ nhất có thể gặp một số lỗi dữ liệu, mất, hoặc  trễ dưới sự tác động của EMI. Lớp thiết bị thứ 2 không gặp bất kỳ lỗi dữ liệu, trễ hoặc thất thoát dưới sự tác động của EMI. Quá trình và yêu cầu thí nghiệm được quy định trong dãy tiêu chuẩn IEEE C37.90.x và bao gồm những điều sau đây:

• ESD
• Bức xạ RFI
• Quá độ nhanh
• dao động
• Độ bền điện môi

Bằng cách sử dụng các thiết bị mạng được chứng nhận bởi hai tiêu chuẩn IEEE 1613 và IEC 61850-3, các công ty điện lực có thể đảm bảo được về hiệu suất và độ tin cậy của thiết trong các môi trường khắc nghiệt tại trạm biến áp.

Truyền thông sợi quang

Các phương tiện truyền thông được sử dụng cho các hệ thống mạng trạm biến áp phải được bảo vệ tốt từ nhiễu điện. Ngoài ra, hệ thống mạng có thể mở rộng với khoảng cách rất xa, điều này cần tới cơ sở hạ tầng đặc biệt và tốn kém. Do đó, mạng cáp quang rất  lý tưởng cho hệ thống mạng trạm biến áp, vì nó có khả năng chống nhiễu điện và cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao, băng thông lớn qua khoảng cách xa. Các thiết bị Ethernet switch hỗ trợ đường cáp quang single mode với khả năng truyền dữ liệu ở tốc độ 100 Mbps trên một khoảng cách lên đến 80 km, mà không cần các bộ khuếch đại tín hiêu.

Thiết kế dạng Mô đun

Việc dự đoán chính xác nhu điện năng và hạ tầng mạng trong tương lai là không dễ dàng. Nhu cầu điện năng đang tiếp tục tăng lên trên toàn thế giới, và các lưới điện khu vực liên tục được mở rộng thông qua các trạm biến áp mới hoặc nâng cấp. Trong nhiều trường hợp, nhu cầu hiện tại vượt qua dự đoán lớn nhất, đôi khi rất đột ngột. Khả năng mở rộng phạm vi, băng thông, và tốc độ của hệ thống mạng cùng với sự dễ dàng và linh hoạt là một điều hiển nhiên, rất biệt quan trọng và có giá trị, đặc biệt đối với các trạm biến áp tại các khu vực đang phát triển.

Một số nhà sản xuất Ethernet switch cung cấp các hệ thống switch có thể mở rộng, dạng mô đun để đáp ứng nhu cầu này. Thiết kế switch dạng mô đun là một giải pháp hữu ích cho các hệ thống tự động hóa trạm biến áp được trang bị đáp ứng nhu cầu cả trong hiện tại và tương lai. Để có sự linh hoạt tối đa, các thiết bị này được trang bị cả giao diện Gigabit và Fast Ethernet.

Cấu trúc nền tảng công nghiệp

Các thiết bị mạng tại các trạm biến áp điện lực hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn so với các thiết bị sử dụng tại môi trường dân dụng. Không chỉ cần yêu cầu về bảo vệ EMI, mà còn cần phải có cấu trúc nền tảng công nghiệp. Đặc biêt, các thiết bị truyền thông được sử dụng trong hệ thống tự động trạm biến áp nên đáp ứng các đặc tính sau:

• Dải nhiệt độ hoạt động rộng (-40°C đến 85°C)
• Khung kim loại bền chắc
• Bảo vệ chống rung lắc và va đập
• Lắp đặt Rackmount hoặc DIN-rail
• Nguồn dự phòng với đầu vào AC và DC

(còn tiếp)