Tổng quan về trạm ứng dụng IEC 61850

Giới thiệu

Công  nghệ  trạm  biến  áp  đã  phát  triển  đáng  kể  từ  khi  hệ  thống phân  phối  điện  đầu  tiên  đi  vào  hoạt  động  vào  cuối  những  năm 1800. Ngày nay, dù hàng trăm nghìn trạm với đủ các kích cỡ và chủng loại khác nhau đang hoạt động trên toàn thế giới,  những dự án cải tạo và xây dựng mới trạm biến áp vẫn đang được khởi động ngày càng nhiều. Trong một nghiên cứu (thực hiện bởi Pike Research), ước tính khoảng 150000 trạm điện sẽ được tự động hóa vào năm 2020.

Một cái nhìn chi tiết về các ưu điểm và lợi ích mà IEC 61850 mang lại. Việc triển khai một chuỗi những qui tắc, qui định và yêu cầu thuật ban đầu có thể khá khó khăn, tuy nhiên nó mang lại rất nhiều ưu điểm. Ví dụ như, trong khi tại các trạm biến áp truyền thống, hàng ngàn thiết bị liên lạc với nhau ở tốc độ tương đối thấp thông qua cáp đồng,  thì các IED tại các trạm biến áp theo chuẩn IEC 61850  hiện  tại  kết  nối  tốc  độ  cao  với  nhau  thông  qua  nền  tảng Ethernet, giúp dễ dàng triển khai một hệ thống quản lý toàn diện, bảo  trì  và  điều  khiển  trực  tiếp  thông  qua  hệ  thống  SCADA  tập trung.

Cho dù đang phải cân nhắc giữa việc nâng cấp một trạm biến áp hiện hữu hoặc xây mới, những ưu điểm của việc triển khai tiêu chuẩn IEC 61850 là đồng nhất:

Kiến trúc đơn giản

Hàng ngàn IED trong một trạm biến áp hiện đại sử dụng định vị thông minh nhằm xử lý quá trình ra quyết định tại hiện trường và kết nối với những thiết bị khác thông qua các switch Ethernet trong hệ thống mạng của trạm biến áp.

Độ tin cậy tuyệt vời

Tiêu chuẩn IEC 61850 đưa ra những trọng tâm trong quá trình thiết kế để mạng lại độ ổn định cao. Không những đáp ứng khả năng họat động trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt của thiết bị mà còn cung cấp một hệ thống mạng với nhiều cấp độ dự phòng khác nhau.

Nền tảng thiết kế của tương lai

Một  trong  những  ưu  điểm  chính  của  việc  triển  khai  mạng Ethernet là dễ dàng mở rộng khi có nhu cầu phát triển. Thêm vào đó, bất kỳ sản phẩm mới nào được kết nối đến một trạm IEC 61850 hiện hữu đều được yêu cầu phải tương thích hoàn toàn với những gì hiện có.

Không phụ thuộc vào Nhà cung cấp

Thực tế các sản phẩm IEC 61850 được sản xuất bởi các công ty khác nhau đều được yêu cầu sử dụng chung một loại ngôn ngữ nhằm mang lại một lợi thế khổng lồ cho các nhà tích hợp hệ thống, nhờ đó họ có thể lựa chọn sản phẩm phù hợp nhất từ các nhà cung cấp khác nhau.

IEC 61850 là gì?

Tiêu  chuẩn  IEC  61850  sử  dụng  các  nguyên  tắc  lập  trình hướng  đối  tượng  hiện  đại  nhằm  xác  định  một  mô  hình  trạm biến áp hoàn chỉnh ảo, có thể được thử nghiệm và tinh chỉnh trong  một  mô  hình  máy  tính  trước  khi  được  triển  khai   với những thiết bị thực tế. Do tiêu chuẩn này là “mở”, bất kì nhà sản  xuất  phần  cứng  nào  cũng  có  thể  cung  cấp  những  sản phẩm  đáp  ứng  IEC61850,  giúp  các  kỹ  sư  có  quyền  lựa  chọn những sản phẩm tốt nhất cho dự án họ đang triên khai. Những điểm nhấn của tiêu chuẩn này bao gồm:

Đường truyền dữ liệu chính dựa trên nền tảng truyền thông Ethernet  với  bằng  thông  lớn  được  sử  dụng  để  truyền  các  gói dữ liệu từ các thiết bị được kết nối trong hệ thống mạng.

Đảm  bảo  khả  năng  tương  thích  với  những  sản  phẩm  đáp ứng IEC 61850 từ những nhà cung cấp khác nhau, giúp việc mở rộng hoạt động của trạm dễ dàng hơn khi có nhu cầu.

Tiêu chuẩn IEC 61850 đề cao việc sử dụng ngôn ngữ cấu hình trạm nền tảng XML nhằm xác định thông số cấu hình cuả hàng loạt IED được sử dụng trong Trạm

Truyền thông tốc độ cao giữa các IED với những khoảng thời gian chuyển tin được đảm bảo bởi việc gắn thẻ ưu tiên cho các gói tin trên nền tảng Ethernet.

Những yêu cầu về thời gian truyền dữ liệu cho những dạng dữ liệu khác nhau:

Cấu trúc của một trạm IEC 61850

Tiêu chuẩn IEC 61850 chia quá trình vận hành trạm biến áp thành ba cấp độ riêng biệt:

Mức quá trình: Mức quá trình bao gồm các thiết bị như máy cắt và thiết bị thu thập dữ liệu sử dụng để đo dòng điện, điện áp, và các thông số khác trong các phần khác nhau của trạm biến áp

Mức ngăn lộ: Mức ngăn lộ bao gồm các IED đóng vai trò thu thập các số liệu được cung cấp bởi các thiết bị ở mức quá

trình. Các IED có thể đưa ra những quyết định điều khiền tại chỗ, truyền dẫn dữ liệu tới các IED khác, hoặc gửi dữ liệu đến hệ thống SCADA trạm phục vụ quá trình xử lý và giám sát.

Mức Trạm: Mức Trạm là nơi đặt HMIs và SCADA servers, cũng là nơi vận hành viên giám sát trạng thái của trạm biến áp.

.

Hơn  nữa,  tiêu  chuẩn  IEC  61850  cũng  định  nghĩa  Process Bus (bus quá trình) và Station Bus (bus trạm), như minh họa trong  biểu  đồ  sưới  đây.  Bus  quá  trình  xử  lý  việc  truyền thông giữa mức quá trình và mức ngăn lộ, và bus trạm xử lý truyền thông giữa mức trạm và mức ngăn lộ.

IEC  61850  là  tiêu  chuẩn  tự  động  hóa  trạm  biến  áp  và  là  một  phần  trong  IEC  TC57  áp  dụng  cho  các  hệ  thống  điện  năng.  Các  giao  thức  truyền  dẫn  được  sử  dụng  để  xử  lý những  loại  truyền  dẫn  thông  tinh  đặc  trưng  là  một  phần  của  tiêu  chuẩn  IEC  61850.  Các  mô  hình  dữ  liệu  ngữ  nghĩa  được  định  nghĩa  trong IEC 61850 có thể được ánh xạ tới một số giao thức, bao  gồm  MMS,  GOOSE,  và  SMV.  Những  giao  thức  này  có  thể  chạy  trên  các  mạng  tốc  độ  cao  như  TCP/IP  nhằm  đảm  bảo  thời gian đáp ứng nhanh (<4ms) cần thiết cho rơ le bảo vệ.

MMS: Các trạng thái thông tin của trạm sử dụng cho mục đích giám sát được gửi đi bằng giao thức MMS.

GOOSE: Những dữ liệu quan trọng như tín hiệu điều khiển và cảnh báo được gửi bằng GOOSE

SMV: Các dữ liệu về đo lường công dòng điện và điện áp được gửi bằng SMV.

Bước 1: Sau khi ghi nhận dòng điện trong đường dây đang quá cao, một thiết bị merging unit (bộ trộn dữ liệu) sẽ gửi một tin nhắn bằng giao thức SMV đến một rơ le bảo vệ.

Bước 2: Rơ le bảo vệ sử dụng giao thức GOOSE để thông báo cho các đơn vị điều khiển thông minh để ngắt mạch

Bước 3: Sau khi tắt nguồn, các đơn vị điều khiển thông minh sử dụng giao thức GOOSE nhằm thông báo cho các rơ le bảo vệ rằng điện đã bị ngắt.

Bước 4: Những rơ le bảo vệ dùng giao thức MMS nhằm thông báo cho SCADA server rằng nguồn điện đã bị ngắt

Bước 5: SCADA server đưa ra cảnh báo