Cải tạo trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEC 61850

Cải tạo Trạm biến áp

Trong những trạm điện hiện hữu đang sử dụng hàng trăm ngàn thiết bị serial, một số thiết bị đã được sử dụng trong vòng từ 20 đến 30 năm. Chỉ với những cải tiến nhỏ để đáp ứng IEC 61850, các trạm biến áp này có thể đạt được những lợi ích to lớn. Tuy nhiên, để thực hiện những cải tiến này, cần phải kết nối các thiết bị hiện hữu vào mạng TCP/IP hiện đại, cũng như thực hiện chuyển đổi giao thức để cho phép các thiết bị có thể kết nối với nhau. Ba thách thức chính đặt ra cho các kỹ sư trong quá trình cải tạo một trạm biến áp và cách giải quyết chúng:

Chủng loại thiết bị đa dạng

Một trong những khía cạnh chính của hiện đại hóa trạm hiện đại là vấn đề ngắt các thiết bị hiện hữu ra khỏi mạng serial (sẽ dễ dàng hơn nếu chỉ có một hay nhiều thiết bị serial kết nối trực tiếp với một hay nhiều PC), sau đó thiết lập lại kết nối của các thiết bị thông qua mạng TCP/IP hiện đại. Công việc có vẻ đơn giản, đặc biết khi thị trường hiện nay có rất nhiều các thiết bị chuyển đổi serial sang Ethernet. Nhưng thực tế, việc có quá nhiều lựa chọn lại khiến quá trình trở nên phức tạp bởi cần xác định loại thiết bị phù hợp với ứng dụng.

Từ một giao thức này tới một giao thức khác

Một trong những vấn đề cần phải đối mặt là các thiết bị hiện hữu từ những nhà cung cấp khác nhau sẽ sử dụng những giao thức truyền thông khác nhau. Có thể chia vấn đề thành 3 loại khác nhau:

Các thiết bị sử dụng các giao thức chuẩn công nghiệp

Trong trường hợp này, cấu trúc chính xác của các gói dữ liệu được được gửi vào và ra khỏi thiết bị là xác định. Các nhà cung cấp như Moxa có thể phát triển các thiết bị gateway Ethernet công nghiệp dùng để chuyển đổi giữa hai hoặc nhiều loại cấu trúc gói dữ liệu, đặc biệt giữa dạng serial và dạng Ethernet. Một ví dụ điển hình là dòng sản phẩm MGate MB3000 của Moxa có thể chuyển đổi giữa giao thức Modbus RTU/ASCII và Modbus TCP.

Các thiết bị sử dụng giao thức độc quyền

Trong trường hợp này, chỉ có chủ sở hữu của giao thức mới biết cấu trúc chính xác của gói dữ liệu. Để giải quyết những vấn đề này, các sản phẩm serial-to-Ethernet của Moxa hỗ trợ truyền đa giao thức, tức đóng gói dữ liệu từ thiết bị thành gói dữ liệu TCP/IP sau đó gửi qua hệ thống mạng tới các máy tính. Một trình điều khiển của Moxa cài đặt trên máy tính để nhận các gói tin TCP/IP, giải nén các gói dữ liệu độc quyền và đưa tới phần mềm độc quyền. Trong thực tế, các thiết bị Nport làm việc với trình điều khiển để đánh lừa các phần mềm độc quyền trong máy tính tưởng rằng chúng vẫn được kết nối trực tiếp tới các thiết bị độc quyền.

Các thiết bị hoạt động một cách tối ưu với các ứng dụng phần mềm tùy chỉnh

Nếu hệ thống trạm sử dụng các ứng dụng phần mềm tùy chỉnh để tăng giá trị và tối ưu hoạt động, cần phải có một máy tính với chức năng đặc biệt giữa hệ thống mạng và các thiết bị để chạy các ứng dụng. Trong một số hệ thống trạm cải tạo, vận hành viên sử dụng các giao thức tùy chỉnh thay vì giao thức chuẩn hoặc giao thức độc quyền. Trong  trường hợp như vậy cần thiết có những nền tảng máy tính mở nhúng để phát triển các ứng dụng riêng cho các giao thức tùy chỉnh. Các dữ liệu thu được qua giao thức tùy chỉnh được lưu trữ một cách hữu ích.

Các thông số kỹ thuật khác nhau cho các hệ thống khác nhau

Tùy thuộc vào quy mô hoạt động và yêu cầu mặt hiệu suất của hệ thống, các đặc điểm kỹ thuật của thiết bị được cài đặt có thể thay đổi theo từng hệ thống khác nhau. Ví dụ, dải điện áp đầu vào có thể từ 100 đến 240 V đối với đầu vào AC và từ 12V đến 48V thậm chí là 300V đối với đầu vào DC. Giao diện kết nối Ethernet có thể là cổng đồng hoặc quang tùy thuộc vào yêu cầu về khoảng cách và tương thích điện từ và yêu cầu về lắp đặt như gắn DIN-rail hay rack cũng có thể làm thay đổi tính chất của dự án.

Thời gian  là vấn đề then chốt

Hệ thống SCADA được sử dụng để giám sát và quản lý hoạt động của trạm biến áp tiên tiến bằng cách liên tục thu thập và phân tích một lượng lớn dữ liệu từ nhiều thiết bị và máy tính trong hệ thống trạm. Có hai khía cạnh đặc biệt quan trọng về mặt thời gian của quá trình này:

Các nhãn thời gian hữu ích

Khi các sự kiện xảy ra tại những vị trí khác nhau trong trạm biến áp, thiết bị ghi sự cố tại chỗ sẽ thêm một nhãn thời gian tùy thuộc vào thời gian tại chỗ của thiết bị, sau đó gửi thông tin sự kiện để phân tích.

Vì lý do này, các nhãn thời gian đến từ các phần khác nhau của hệ thống phải cùng một nền tảng và cùng một thời gian. Để đạt được điều này, các giao thức đồng bộ thời gian được sử dụng để đồng bộ tất cả đồng hồ trong hệ thống.

Truyền tải dữ liệu thời gian thực

Thông tin dù được truyền đi với tốc độ ánh sáng thì cũng phải mất một khoảng thời gian nhất định để truyền từ điểm A đến điểm B, nên thời gian thực được hiểu là giữ thời gian truyền thông tin ở mức mili giây. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống điều khiển, bất kể sự chậm trễ nào trong việc tiếp nhận tín hiệu điều khiển tới bộ điều khiển trong quá trình phản hồi tới cảm biến có thể làm sai lệch hoạt động của toàn bộ hệ thống.

Trong các dự án cải tạo trạm, các thiết bị serial hiện hữu có thể sử dụng giao thức đồng bộ thời gian serial IRIG-B.

Ngược lại, một hệ thống mạng IEC 61850 sẽ sử dụng giao thức đồng bộ thời gian IEEE 1588 dựa trên nền tảng Ethernet. Để giải quyết vấn đề này cần sử dụng các thiết bị cho phép chuyển đổi giữa hai giao thức.

Các tiêu chuẩn có thể mang lại thành công hoặc thất bại

Tiêu chuẩn IEC 61850-3 Class C3

Chuẩn IEC 61850-3 Class C3 và IEEE 1613 quy định các yêu cầu về tương thích điện từ và truyền thông cho thiết bị mạng sử dụng trong trạm biến áp. Máy tính trong trạm và các switch Ethernet phải đạt chuẩn IEC 61850-3 và IEEE 1613 để đảm bảo chống lại những tác động từ điều khiện môi trường. Những yêu cầu tối thiểu bao gồm:

• Tương thích điện từ cấp độ -4, chống sự nhiễu điện
• Có thể hoạt động tốt trong phạm vi nhiệt độ từ -40 đến 75°C
• Chống rung, sốc

Khả năng tích hợp

Các kỹ sư quản lý và cải tạo trạm điện thể rất giỏi về mặt chuyên môn song có thể không có những hiểu biết cần thiết về truyền thông domain để cải tiến trạm biến áp theo chuẩn IEC 61850 hoặc không có thời gian để liên kết các thiết bị trong quá trình tích hợp. Khi quyết định cách thức tiến hành, bao gồm sử dụng sản phẩm nào để chuyển đổi phù hợp với chuẩn IEC 61850 cần lưu ý những điều sau:

Phù hợp với cấu hình

Vấn đề thường gặp trong quá trình cài đặt là cấu hình các thiết bị serial sang Ethernet. Đặc biệt trong các dự án cải tạo, các kỹ sư luôn muốn giành nhiều thời gian trong việc kiểm tra chức năng của hệ thống hơn là giải quyết các vấn đề truyền thông. Do đó, quá trình cấu hình càng dễ dàng sẽ càng cải thiện hiệu quả cấu hình của toàn bộ dự án.

Dễ dàng cấu hình trong 3 bước:

Dải nhiệt độ vận hành rộng

Khi cải tạo trạm, các kỹ sư sẽ phải giải quyết vấn đề dải nhiệt độ rộng của hệ thống vận hành bởi các trạm biến áp hiện hữu được xây dựng trong một thời gian dài và được đặt trên nhiều vùng địa lý. Đôi khi những hạn chế xuất phát từ yêu cầu duy trì hệ điều hành hiện hữu bởi các trình điều khiển được sử dụng để đọc các thiết bị cuối chỉ hoạt động trên những hệ thống này. Đôi khi, người sử dụng cuối cùng muốn cập nhật hệ điều hành bởi tuổi thọ của chúng. Do đó, giải pháp IEC 61850 phải hỗ trợ nhiều trình điều khiển cho các thiết bị serial sang Ethernet trên các hệ điều hành khác nhau.

Một nền tảng không đơn thuần chỉ là một nền tảng

Vì các máy tính nhúng thường được sử dụng để tùy chỉnh, tối ưu và thực hiện nhiều tác vụ khác nhau nên việc lựa chọn nền tảng phần cứng phù hợp là vô cùng quan trọng.

Hỗ trợ trình biên dịch riêng

Kỹ sư phải làm việc với một loạt các công cụ, mã nguồn và các con số nhị phân để biên dịch phần mềm cho các nền tảng khác nhau. Một nền tảng hỗ trợ trình biên dịch riêng sẽ khiến mọi thứ trở nên dễ dàng hơn

Hệ điều hành

Máy tính nhúng sử dụng trong giải pháp serial sang Ethernet không chỉ dùng để chuyển đổi giao thức. Thời gian phát triển các giải pháp phụ thuộc vào hệ điều hành và các gói tin được hỗ trợ.

Khả năng truyền thông không dây

Đối với trạm phân phối theo khu vực địa lý, giải pháp không dây thường xuyên được lựa chọn cho truyền thông và dự phòng. Tuy nhiên, không có bất kỳ sự kiểm định khắt khe nào về tính ổn định của các giải pháp không dây. Một vài nhà sản xuất đã xác định tiêu chí riêng của họ trong việc lựa chọn nền tảng không dây cho trạm IEC 61850

Vận hành

Khi trạm điện đã được cải tạo theo chuẩn IEC 61850 và đi vào hoạt động, sẽ nảy sinh ra nhiều vấn đề vì vậy cần phải đặc biệt lưu ý. Dưới đây là một vài điều cần chú ý:

Xỷ lý sự cố của hệ thống

Cần thiết có một hệ thống khôi phục OS thông minh cho trạm điều khiển từ xa. Không có hệ thống khôi phục OS, sự cố của phần mềm hệ thống dù trong hệ điều hành hay trong các ứng dụng trạm biến áp cục bộ có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Theo ước tính, 30% trong tổng số các trường hợp sự cố máy tính là sự cố do phần mềm gây ra. Tuy nhiên, hầu hết các kỹ sư trạm không đủ sự hiểu biết về domain máy tính trong việc khắc phục và xử lý các vấn đề của hệ thống. Để giảm thiểu thời gian gián đoạn, một hệ thống phục hồi tự động trên BIOS là vô cùng có giá trị đối với quá trình cài đặt trạm biến áp.

Một ví dụ điển hình là Moxa Smart Recovery™, một công cụ cho phép  tự động phục hồi hệ thống bằng cách kích hoạt tính năng OS re-writes. Hệ thống kích hoạt quá trình phục hồi sử dụng một bản sao của toàn bộ hệ thống được tạo ra khi máy tính nhúng được triển khai thành công lần đầu tiên, và chúng được lưu trữ trên máy tính hoặc các ổ đĩa ngoài. Phương thức phục hồi này giúp tối thiểu hóa thời gian chết khi hệ thống gặp sự cố:

• Đối với những trạm không người trực, xử lý sự cố là vấn đề không dễ dàng, OS re-writes có thể hoàn toàn tự động khôi phục hệ thống từ những bản sao đã được đánh dấu.

• Đối với những trạm được giám sát bởi kỹ sư điện, đòi hỏi phải kiểm tra thông số hai lần trước khi bắt đầu quá trình phục hồi OS, các kỹ sư có thể cung đường dẫn tới tập tin ảnh và chỉ cần khởi động máy tính để hoàn tất quá trình.