Nhà phân phối của Moxa tại Việt Nam - Thiết bị truyền thông công nghiệp - Tự động hóa Ứng dụng Thông tin tổng hợp Khái quát về tiêu chuẩn IEC61850-90-5

Khái quát về tiêu chuẩn IEC61850-90-5

12/08/2017

Tác giả: Herbert Falk, Thiết kế giải pháp, SISCO, USA

Herbert Falk đã tham gia nhiều dự án liên quan đến ứng dụng các hệ thống thông tin và công nghệ truyền thông thời gian thực (real-time communication) để tự động hóa sản xuất, phân phối điện và tự động và giám sát chất lượng điện. Ông cũng đã từng tham gia xây dựng những đòi hỏi về an ninh truyền thông và tiêu chuẩn hóa từ năm 1996. Vào năm 1998, ông Falk đã chuẩn bị những yêu cầu kỹ thuật về an ninh cho UCA. Ngay sau đó, ông Falk đã hỗ trợ việc thiết kế và thực hiện 1 bộ sản phẩm truyền thông “an ninh” (secure) của SISCO. Vào năm 2000, ông Falk đã hoàn thành việc đánh giá an ninh EPRI của hạ tầng ngành điện Mỹ.

Ngoài ra, ông Falk là trưởng nhóm kỹ thuật trong ủy ban IEC TC 57 (nhóm làm việc) WG15 mà phạm vi của nó là “Dữ liệu và an ninh truyền thông trong môi trường IEC/TC 57”. Ông cũng là thành viên năng động trong những hoạt động về an ninh của IEEE.

Bài báo này mô tả những đòi hỏi thực tiễn dẫn đến tiêu chuẩn IEC 61850-90-5, khái quát của công nghệ, những thỏa thuận mới được thực hiện, kết quả thử nghiệm bước đầu trong ngành điện, độ tin cậy của UDP/IP.

IEC TR 61850-90-5 là giao thức để truyền trạng thái số và đo lường công suất được đồng bộ thời gian thông qua các mạng diện rộng cho phép thực hiện các hệ thống đo lường diện rộng và bảo vệ và điều khiển (Wide Area Measurement and Protection And Control – WAMPAC) dựa trên các giao thức IEC 61850 thường được sử dụng trong các trạm tự động hóa. Sự phát triển của IEC TR 61850-90-5 được thúc đấy bởi 1 số sự kiện:

Sự cố rã lưới tháng 8 năm 2003 ở phía Bắc nước Mỹ: các phân tích sự cố chỉ ra sự cần thiết của tiêu chuẩn để nhận dạng được chính xác dạng sóng Sin (biên độ và góc pha) đồng bộ thời gian (Synchronized phasor measurement – Synchrophasor) nó cho phép đồng bộ thời gian cực chính xác/ thuật toán gán nhãn thời gian (time-stamping). Đây là lý do chính dẫn đến sự ra đời của IEEE C37.118 để thay thế IEEE 1344 và Dự án Liên kết Pha của miền Đông (Eastern Interconnect Phasor Project – EIPP).
Tháng 5 năm 2005, những yêu cầu về an ninh mạng được công bố đối với những tài sản quan trọng chỉ ra rằng cần có những giao tiếp diện rộng được đảm bảo an ninh cho hệ thống điện.
Tháng 11 năm 2006, Dự án Liên kết Pha (Phasor) của miền Đông (EIPP) được kết hợp với những sáng kiến của miền Tây và Texas để trở thành Dự án Synchrophasor Bắc Mỹ (North American Synchrophasor Project Initiative – NASPI), để đưa ra những yêu cầu kỹ thuật vận hành cho các hệ thống Synchrophasor, cấu trúc và các thiết bị Synchrophasor.
Hiệp hội các kỹ sư điện và điện tử (IEEE) đề nghị ủy ban Kỹ thuật điện châu Âu (IEC) sử dụng biểu trưng kép cho C37.118 vào tháng 8 năm 2009: Biểu trưng (logo) kép bị IEC từ chối vì IEC đã có công nghệ truyền tin (IEC 61850-9-2) có thể chuyển tải thông tin Synchrophasor. Kết quả là 1 thỏa thuận liên kết công việc và nguồn lực giữa IEEE và IEC đã được hình thành, liên kết này sẽ làm việc trên những phương pháp luận/ thỏa thuận dẫn đến những thay đổi trong IEEE C37.118 và tạo ra IEC TR 61850-9-5 (TR – Technical Report).

Bên cạnh những sự kiện trên, và những đòi hỏi kỹ thuật để hỗ trợ Synchrophasor, IEC TR 61850-9-5 cũng được thiết kế để hỗ trợ những trường hợp ứng dụng đã được hỗ trợ bởi GOOSE và SV (Sampled Value), một phần của IEC 61850.

Các yêu cầu kỹ thuật đã được phát triển, thay đổi và bổ sung. Trọng tâm ban đầu của GOOSE và Sample Value từng là ứng dụng của cho điều khiển và tự động hóa. 1 vài yêu cầu kỹ thuật trong số đó là:

Phát triển những tính năng cho hoạt động của GOOSE. Ban đầu, yêu cầu về hoạt động của GOOSE là 4 mili Giây để thỏa mãn được yêu cầu của bảo vệ rơle trong trạm. Nó đã được điều chỉnh xuống 3 mili Giây với việc ban hành IEC 61850-5 năm 2003.
Sự phát triển của Sampled Value, giao thức thời gian thực, cho phép đo lường lấy mẫu tốc độ cao các giá trị dòng điện và điện áp từ các máy biến dòng điện và biến điện áp để chia sẽ với nhiều thiết bị điện tử thông minh. Tốc độ đo lường/lấy mẫu ban đầu theo yêu cầu kỹ thuật của UCAIug 9-2LE là 80 hoặc 256 mẫu/ chu kỳ cho các ứng dụng bên trong trạm.
Sự phát triển các tiêu chuẩn bảo mật (an ninh) cho IEC 61850, bao gồm GOOSE và SV được khởi động năm 2004 và hoàn thành năm 2007.
Năm 2005, việc sử dụng giao thức IEC 61850 giữa các trạm và giữa trạm và trung tâm điều độ được khởi động, nhưng công nghệ GOOSE vẫn không thay đổi định hướng mặc dù nó được xác định để dụng cho những cấu trúc truyền tin mới (IEC 61850-90-1 và IEC 61850-90-2)

Năm 2003, IEEE bắt đầu nỗ lực chuyển từ IEEE 1344 sang IEEE C37.118 để cải thiện cấp chính xác phép đo của việc đo lường các sóng Sin đồng bộ thời gian (synchrophasor). Sự cần thiết của phải cải tiến dựa trên việc phân sự cố rã lưới ở Bắc Mỹ năm 2003. Năm 2009, sau khi đề nghị có 1 tiêu chuẩn sử dụng biểu trưng kép, các tiêu chuẩn IEEE C37.118 và IEC 61850 đã được đánh giá và đưa ra kết quả như bảng số 1.

Trước khi đề nghị có 1 biểu trưng chung cho 2 tiêu chuẩn, hoạt động của NASPI đã tạo thêm nhiều yêu cầu kỹ thuật cho đo lường Synchrophasor. Các yêu cầu này bao gồm cả sự cần thiết đảm bảo an ninh mạng diện rộng khi thông tin Synchrophasor phân tán trên lục địa Bắc Mỹ. Sự kết hợp nguồn lực của IEEE và IEC đưa ra chiến lược để chia C37.118 thành 2 phần trong khi tiếp tục xem xét khả năng chuyển sang công nghệ dựa trên IEC 61850 để đáp ứng những yêu cầu của NASPI:

IEEE C37.118.1: Đo Synchrophasor cho các hệ thống điện hiện có. Tiêu chuẩn này xác định đo các tín hiệu sóng Sin (Synchrophasor), tần số và tốc độ thay đổi tần số (Rate Of Change Of Frequency – ROCOF) trong tất cả các điều kiện vận hành. Nó xác định các phương pháp đánh giá các kết quả đo và những yêu cầu đúng theo tiêu chuẩn ở các điều kiện vận hành ổn định và động. Các yêu cầu về gán và đồng bộ thời gian cũng bao gồm trong tiêu chuẩn. Các yêu cầu hoạt động được xác định với mẫu tham chiếu, được đưa ra cụ thể. Tiêu chuẩn xác định 1 bộ PMU (Phasor Measurment Unit – Synchrophasor), có thể là 1 thiết bị vật lý làm việc độc lập hoặc là 1 module chức năng trong 1 thiết bị vật lý khác. Tiêu chuẩn không xác định phần cứng, phần mềm hoặc phương pháp tính toán tín hiệu Sin (Phasor), tần số hay tốc độ thay đổi tần số (ROCOF).
IEEE C37.118.2: Xác định phương pháp trao đổi các dữ liễu Synchrophasor thời gian thực giữa các thiết bị trên hệ thống điện. Tiêu chuẩn xác định các thông điệp (massaging) có thể truyền nhận giữa các PMU, và các ứng dụng khác với bất cứ giao thức thời gian thực phù hợp. Tiêu chuẩn định nghĩa loại thông điệp (massage), nội dụng và cách sử dụng. Loại dữ liệu và định dạng được định nghĩa. Hệ thống đo lường chuẩn, các tùy chọn truyền thông và các yêu cầu được mô tả.

Chức năng	C37.118	IEC 61850 GOOSE và SV
Giao thức thời gian thực (Streaming protocol)	Đáp ứng	Sampled Value
Tốc độ đo/ phát tin (Rate of Measurement/ Reporting)	10-30 mẫu/giây	80-256 mẫu/chu kỳ (4800-15360 mẫu/giây)
Có thể định tuyến (đảm bảo) nguyên bản bằng IP (Natively Routable using IP)	Đáp ứng	Không. Phải sử dụng định tuyến bắc cầu – bridged-routing (brouting)
Tập trung ứng dụng (Application Focus)	Nhận ra trạng thái (situational awareness)	Điều khiển
Bảo mật các địa chỉ tiêu chuẩn (Standard Addressses Security)	Không	Có
Xác định đầy đủ Hồ sơ truyền thông (Communication profile fully specified)	Không	Có
Yêu cầu kỹ thuật đo lường cho Synchrophasor	Có	Không
Khả năng truyền sự kiện	Không	Có
Giao thức được hoạt động bởi ngôn ngữ (Protocol is semantically driven)	Không	Có
Ngôn ngữ cấu hình được chuẩn hóa	Không	Có

Bảng 1 So sánh tiêu chuẩn IEEE C37.118 và IEC 61850

IEEE C37.118.1 tiếp tục là tiêu chuẩn quốc tế để xác định công nghệ đo cho Synchrophasor trong khi đó IEEE C37.118.2 là giao thức của IEEE để giải quyết các yêu cầu của hệ thống hiện tại làm cho IEC TR 61850-90-5 trở thành cơ sở cho 1 giao thức có khả năng mở rộng và bảo mật hơn để đáp ứng các yêu cầu của NASPI. IEC TR 61850-90-5 có các tham chiếu theo IEEE C37.118.1 như là phương pháp đo Synchrophasor. Phạm vi của IEC TR 6:

Xác định rõ mô hình đối tượng 61850 để thể hiện phù hợp với các Synchrophasor.
Cung cấp giao thức định tuyến và bảo mật có thể truyền GOOSE hoặc SV qua các gói dữ liệu IEC61850 ở tầng ứng dụng.
Cung cấp khả năng nâng cấp từ IEEE C37.118 và những cấu trúc tiêu chuẩn đang được sử dụng sang IEC TR 61850-90-5.

Xác định rõ mô hình đối tượng IEC 61850

IEEE C37.118.1 xác định phép đo Synchrophasor được thực hiện như thế nào dưới dạng vecto điện áp hoặc dòng điện (biên độ và góc pha), Tần số, Tốc độ thay đổi tần số (ROCOF). Mục tiêu của IEC TR 61850-90-5 là tìm ra những nút logic (Logical Node) để đại diện cho các thông tin này. Ủy ban kỹ thuật (Technical Committee – TC) IEC 57 nhóm làm việc (Working Group – WG) 10 chọn cách sử dụng nút logic đo lường (MMXU). Tuy vậy, điều này dẫn đến đòi hỏi xác định các nút này thuộc cấp bảo vệ hay đo lường như đã định nghĩa trong IEEE C37.118.1.

Để làm được việc này, tiêu chuẩn đã mở rộng bảng liệt kê phương pháp tính (ClcMth) IEC 61850 để bao gồm cấp bảo vệ (P-Class) và cấp đo lương (M-Class). Định nghĩa MMXU hiện hữu chứa các đối tượng dữ liệu (DataObject) mô tả các giá trị đo lường dòng điện, điện áp cũng như tần số. Tuy nhiên, IEC 61850 không mô tả ROCOF. Để cung cấp khả năng đo ROCOF, IEC TR 61850-90-5 bổ sung đối tượng dữ liệu HzRte (Tốc độ Hert) vào nút đo lường (MMXU). Một ý nghĩa quan trọng khác của thông tin Synchrophasor là có khả năng hiểu các tốc độ lấy mẫu. Trong IEC 61850, nó cho phép thực hiện cấu hình phù hợp các đối tượng dữ liệu có trước của:

ClcMod (Calculation Mode – chế độ tính toán): Từ IEEE C37.118.1 cho phép đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của phương pháp đo lường là định kỳ. Giá trị IEC 618850-7-4 sử dụng cho ClcMod được định nghĩa là chu kỳ (PERIOD).
ClcIntvTyp (Calculation Interval Type): Đo theo chuẩn IEEE C37.118 theo khoảng thời gian trên Giây. Tuy vậy, IEC TR 61850-90-5 đòi hỏi mềm dẻo hơn để đáp ứng được những ứng dụng khác. Do đó, hỗ trợ mili Giây (MS), và các kiểu (type) biến thời gian theo chu kỳ (Cycle) đã được bổ sung. Để thực hiện giống như khả năng của IEEE C37.118, giá trị MS đã được sử dụng.
ClcIntvPer (Calculation Interval Period): được đặt theo giá trị của ClcIntvTyp.

IEEE C37.118 cũng cho phép chuyển các thông tin số rời rạc. Các ngữ nghĩa/ Đối tượng dữ liệu này đã hiện diện trong IEC 61850 như các thành phần riêng biệt của các bộ dữ liệu (DataSets).

Giao thức định tuyến IEC TR 61850-90-5

IEC 61850 có giao tiếp dịch vụ truyền thông cơ bản (ACSI), cung cấp các dịch vụ truyền tin khác nhau được hỗ trợ bởi IEC 61850. Ở đây chúng ta chỉ tập trung vào những dịch vụ này trong IEC 61850-7-2 được sử dụng cho việc trao đổi thông tin Synchrophasor chỉ tuân theo IEC TR 61850-90-5 (hình 1).

Nút logic MMXU được sử dụng để thể hiện các giá trị đo lường Synchrophasor được tạo ra theo định nghĩa của IEEE C37.118.1
Thông tin từ MMXU được đặt vào 1 hoặc nhiều DataSet mà việc gửi nó được được kiểm soát bởi các khối điều khiển (Control Block) thích hợp (ví dụ như các khối điều khiển GOOSE hoặc SV). Lưu ý là các DataSet có thể chứa cả những thông tin khác ngoài thông tin đo lường Synchrophasor.
IEC TR 61850-90-5 định nghĩa các khối điều khiển mới để xử lý các ngữ nghĩa định tuyến 90-5. Khối điều khiển “RS” (Routable Semantic) được sử dụng để điều khiển các dữ liệu định tuyến SV và các khối điều khiển “RG” (Routable GOOSE) được sử dụng để các điều khiển các thông tin trạng thái định hướng GOOSE.
Sự kết hợp của DataSet và Control Block xác định những dịch vụ nào được sử dụng để trao đổi thông tin DataSet.
Tùy thuộc vào khối điều khiển (loại RS hoặc RG), 1 tin nhắn (massage) ứng dụng được tạo ra/mã hóa theo các nguyên tắc được xác định trong IEC 61850-9-2 và IEC 61850-8-1.
Các tin nhắn ứng dụng, được tóm lược trong tầng phiên IEC TR 61850-90-5, tiêu chuẩn đã hỗ trợ bảo mật và quản lý qua giao thức Trung tâm Phân phối khóa KDC (Key Distribution Center) 90-5.
Các tin nhắn ứng dụng đã được đóng gói thông tin phát tán qua các dịch vụ UDP/IP, nó sử dụng giao thức kiểm soát các dịch vụ khác biệt (Differentiated Service Control Protocol – DSCP) để hỗ trợ đánh dấu ưu tiên IP giảm thiểu sự thất lạc gói tin có thể do tắc nghẽn ở Router.
Để cấu hình các khối vận chuyển (transport) và điều khiển, ngôn ngữ cấu hình trạm (Substation Configuration Language – SCL) của IEC 61850-6 đã được mở rộng.

Giao thức 90-5 hỗ trợ khả năng truyền các nhóm tin ứng dụng GOOSE và SV (APDUs) trong đối tượng SPDU (Session Protocol Data Unit) đơn. Nó cũng hỗ trợ khả năng thiết lập một đường hầm an toàn trên nền Ethernet cho các gói tin GOOSE và SV, cho phép trao đổi thông tin dễ dàng hơn giữa các trạm biến áp và trung tâm điều khiển cho các thông điệp GOOSE và SV hiện hữu (hình 3).

Để đảm bảo an toàn, khái niệm bảo mật “perfect-forward” được thực hiện. Mô hình bảo mật được thiết kế để cho phép mã hóa key luân phiên

Khả năng bảo mật của IEC TR 61850-90-5

Dịch chuyển từ C37.118.2 sang IEC 61850-90-5

Có 1 số khía cạnh được xem xét khi dịch chuyển từ IEEE C37.118.2 sang IEC 61850 được cung cấp trong IEC TR 61850-90-5. Những mục chính đã sử dụng để từng bước chuyển sang IEC 61850 bao gồm:

Thay đổi IEC 61850-6 để hỗ trợ cấu hình C37.118.2 qua SCL.
Sử dụng GOOSE hoặc SV, trong ngữ cảnh của 90-5, không sử dụng… Nó cho phép sử dụng cấu hình SCL và IEEE C37.118.2 được thay thế bởi IEC TR 61850-90-5 không đòi hỏi mô tả toàn bộ IEC 61850-8-1 qua TCP/IP (ví dụ MMS)

Việc sử dụng IEEE C37.118 đã mang đến 1 cấu trúc triển khai Synchrophasor được gọi là Bộ tập trung dữ liệu Pha (Phasor Data Concentrator – PDC) được sử dụng trong các hệ thống hiện hữu. Mục tiêu đầu tiên của PDC là hỗ trợ khả năng phân tán các thiết bị đo Synchrophasor vì khả năng trao đổi thông tin giới hạn của trạm điện dẫn đến hạn chế khả năng đo lường phân tán dữ liệu. Mục đích tiêu biểu khác của PDC là hỗ trợ chức năng đo lường với liên kết thời gian giữa những phép đo từ nhiều thiết bị PMU. Trong IEC TR 61850-90-5 đã bao gồm mô hình rõ ràng để hỗ trợ khái niệm PDC.

Một vấn đề khác đã được chỉ ra trong thỏa thuận thực hiện (bởi IEC 61850-90-5) là định nghĩa cụ thể cách thức dịch thông tin C37.118.2 sang IEC 61850 và sử dụng SV của IEC 61850 như thế nào để chuyển tín hiệu đo lường Synchrophasor 1 cách tin cậy. Các công việc này sẽ được biên soạn bởi IEC TC57 WG10.

Lịch sử: Khởi nguồn yêu cầu GOOSE của IEC 61850 dựa trên thời gian tác động của rơle cắt nhanh của hãng ASEA (4 ms). Rơle được giới thiệu vào giữa những năm 1970 và đã có tác động trực tiếp đến các yêu cầu bao gồm trong báo cáo EPRI RP 3599 – được biết đến như giao thức truyền thông UCA (Utility Communication Architecture) phiên bản 1.0. Thời đó, đã có đồng thời nhiều số nỗ lực để tiêu chuẩn hóa và chúng có ảnh hưởng tới IEC TR 61850-90-5. Những nỗ lực chính là:

Khả năng tiêu chuẩn hóa của UCA để trở thành tiêu chuẩn IEEE
Công việc của IEEE về tiêu chuẩn synchrophasor: Công việc này bắt đầu trước khi công bố IEEE 1344 (khoảng năm 1995) và tiếp tục đến ngày hôm nay với các phiên bản IEEE C37.118.1 và IEEE C37.118.2
Công việc của IEC về IEC 61850

Điều quan trọng cần lưu ý là các nỗ lực của UCA/IEEE và IEC đều để giải quyết các vấn đề tương tự trong công nghiệp và do đó sẽ có thể cạnh tranh với nhau trên toàn cầu. Vào cuối năm 1996, các tổ chức trên đã được đồng ý cùng xem các khái niệm của UCA, bao gồm cả việc sử dụng truyền thông peer-to-peer tốc độ cao (nguồn gốc của GOOSE), có thể trở thành/được chấp nhận là một phần của tiêu chuẩn IEC 61850. Kết quả là IEC61850 (khoảng năm 2004) là một tiêu chuẩn quốc tế và các văn bản UCA được đặt vào Báo cáo kỹ thuật (TR) IEEE 1550 để trở thành phiên bản kế tiếp. Đồng hành với nó, không cần phối hợp với IEC, IEEE tiếp tục giải quyết các yêu cầu của synchrophasors. Những nỗ lực của IEEE được thúc đẩy bởi việc phân tích các khiếm khuyết gây sự cố tháng 08/2003. Nỗ lực này dẫn đến IEEE 1344 được thay thế bởi IEEE C37.118. Khi IEEE công bố C37.118, IEEE tiếp cận IEC với một yêu cầu cho 1 biểu tượng kép (khoảng tháng 3 năm 2009). IEC từ chối các yêu cầu biểu tượng kép vì đã có IEC 61850-9-2 (SV) và GOOSE, cả 2 đều có khả năng mang thông tin synchrophasor. Việc này đã dẫn đến việc tạo ra một Nhóm công tác chung giữa IEEE và IEC, và do đó đầu của sự phát triển của IEC TR 61850-90-5. Hình 5 cho thấy các sự kiện quan trọng cuối cùng để xây dựng IEC TR 61850-90-5.

http://www.pacw.org/issue/december_2012_issue/iec_61850905_an_overview/iec_61850905_an_overview/complete_article/1.html

Dịch từ tạp chí PAC WOLRD tháng 12, 2012

Thẻ: Thông tin tổng hợp, tiêu chuẩn ngành điện