Tìm hiểu về tiêu chuẩn IEC 61850

Giao thức IEC 61850

Mục tiêu chính của tiêu chuẩn IEC 61850 là:

NÂNG CAO KHẢ NĂNG TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM ĐIỆN.

• Tránh các giao thức độc quyền và có thể tích hợp thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau. Khái niệm này được gọi là khả năng tương tác.
• Sử dụng các công nghệ có thể giảm chi phí đi dây và thời gian kỹ thuật.
• Tìm kiếm những cải tiến trong các nhiệm vụ vận hành và bảo trì.

Để đạt được mục tiêu này, tiêu chuẩn phát triển 3 nguyên tắc:

1. Định nghĩa về mô hình thông tin hợp nhất với hệ thống phân cấp đặt tên và cấu trúc dữ liệu cụ thể để sử dụng trong bất kỳ thiết bị tuân thủ nào. Các nhà cung cấp được yêu cầu xác định các khái niệm giống nhau có cùng tên và họ phải sử dụng một định dạng chung để xây dựng thông tin của mình. Đặc điểm này làm giảm thời gian tìm kiếm thông tin, lỗi và chuyển đổi định dạng.
2. Định nghĩa của một giao thức truyền thông và chức năng máy chủ thống nhất. Giao thức này là ngôn ngữ mà tất cả các thiết bị trong hệ thống sử dụng để trao đổi dữ liệu. Nó đã được thiết kế để đáp ứng tất cả các yêu cầu về tự động hóa các trạm biến áp, lưu ý đến các yêu cầu về thời gian và tính khả dụng. Các nhà cung cấp thiết bị bảo vệ và điều khiển, hệ thống SCADA và thiết bị đầu cuối từ xa phải triển khai giao thức này để tương tác với nhau.
3. Yêu cầu sử dụng định dạng tệp dựa trên XML phổ biến với các quy tắc cụ thể và định nghĩa về các công cụ và vai trò kỹ thuật để cải thiện khả năng tự động hóa và cấu hình trong quá trình kỹ thuật.

Giao thức truyền thông IEC 61850

Các giao thức truyền thông client-server

Đây là giao tiếp giữa máy khách và máy chủ diễn ra giữa các máy chủ (thiết bị bảo vệ và điều khiển) với SCADA và GATEWAY đóng vai trò là máy khách.

Giao thức được sử dụng trong trao đổi này sử dụng giao thức MMS (Đặc tả tin nhắn sản xuất) được mô tả trong tiêu chuẩn ISO 9506. Giao thức này được phát triển cho tự động hóa công nghiệp và là một trong những giao thức đầu tiên xác định dữ liệu có phân cấp tên.

Giao tiếp dựa trên mô hình phân lớp OSI qua TCP/IP. Một kênh TCP được tạo giữa mỗi máy khách và mỗi máy chủ. Qua kênh này, khách hàng có thể đọc dữ liệu, cài đặt, yêu cầu lệnh hoặc nhận báo cáo.

Một hệ thống SCADA sẽ tiếp tục mở nhiều kênh TCP/IP như các máy chủ mà nó đang giám sát.

 

                                                               Giao tiếp giữa máy chủ và các máy khách

Một giao thức truyền thông đa hướng

IEC 61850 định nghĩa một quy trình trao đổi bản tin điểm đến đa điểm nhanh chóng và đáng tin cậy, có thể được sử dụng để thay thế dây đồng khi sử dụng trao đổi dữ liệu giữa các tủ trong trạm biến áp. Các thông báo này được gọi là GOOSE – Sự kiện trạm biến áp hướng đối tượng chung. Họ sử dụng ETHERNET MULTICAST với chất lượng và mức độ ưu tiên cao, đảm bảo độ trễ thấp trong chuyển mạch trạm biến áp và phân phối tới tất cả các hộ tiêu thụ quan tâm trong vòng 3 mili giây hoặc 20 mili giây tùy theo yêu cầu.

Tiêu chuẩn IEC 61850 xác định cơ chế lặp lại cho các thông báo GOOSE hữu ích để kiểm tra xem người gửi có hoạt động hay không và nó đang gửi thông tin cần thiết. Đây là một lợi thế so với hệ thống dây đồng, nơi cáp bị đứt có thể không dễ dàng phát hiện.

Các phép đo thứ cấp trong Máy biến dòng hoặc Máy biến điện áp cũng có thể được số hóa và chúng có thể được gửi từ xưởng chuyển mạch đến tủ điều khiển bằng cáp quang. Nguyên tắc này đã bắt nguồn cho sự phát triển của các sản phẩm mới được gọi là Thiết bị Hợp nhất (Merging Units) chịu trách nhiệm chuyển đổi và truyền tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số.

Thông số kỹ thuật IEC 61850-9-2lite đơn giản hóa khả năng thông tin được gửi bởi các đơn vị hợp nhất cải thiện khả năng tương tác. Thông số kỹ thuật này yêu cầu 80 hoặc 256 mẫu mỗi chu kỳ. Nó cũng xác định thông tin phải được gửi trong thông báo giá trị được lấy mẫu chỉ bao gồm 4 phép đo điện áp và 4 dòng điện tại mỗi khung được trao đổi.

Mô hình thông tin chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEC 61850

IEC 61850 xác định mô hình thông tin phân cấp với các mức sau:

• IED – Thiết bị thông minh.
• LD – Thiết bị logic.
• LN– Nút logic
• DO – ĐỐI TƯỢNG DỮ LIỆU.
• DA – THUỘC TÍNH DỮ LIỆU.
• SKYPE CƠ BẢN

Các thiết bị logic là các khối logic được sử dụng để sắp xếp thông tin của IED , chia nó thành các danh mục khác nhau. Thông thường, một số nhà cung cấp phân loại thông tin của họ với tên thiết bị hợp lý là PROT (bảo vệ), CTRL (điều khiển), REC (Máy ghi). Trong mọi trường hợp, việc đặt tên thiết bị hợp lý được mở cho nhà cung cấp.

Các nút logic là các chức năng hoặc thành phần tự động hóa hệ thống. Có các chức năng liên quan đến kiểm soát, bảo vệ, đo lường, giám sát và hơn thế nữa. Chúng được xác định bằng 4 chữ cái; cái đầu tiên chỉ ra danh mục của chúng. Ví dụ, nút logic PIOC là viết tắt của Bảo vệ quá dòng tức thời.

IEC 61850-7-4 bao gồm bảng với tất cả các loại. Các nút logic bắt đầu bằng D (DER), H (Hydro) và W (Wind) được xác định theo tiêu chuẩn IEC 61850-7-420, IEC 61850-7-410 và IEC 61400-25-2.

Mỗi nút logic bao gồm một tập hợp các đối tượng dữ liệu bắt buộc và tùy chọn để hoàn thành nhiệm vụ của chúng. Các đối tượng dữ liệu có thể đại diện cho thông tin trạng thái, phép đo, điểm đặt, điểm có thể kiểm soát hoặc thông tin mô tả. Mỗi nút logic bao gồm một bảng trong tiêu chuẩn với dữ liệu liên quan cho biết tên và loại của chúng. Các nhà cung cấp phải chọn những cái mà họ có thể cung cấp và họ muốn xuất bản trong mô hình IEC 61850 của họ.

Tệp cấu hình tiêu chuẩn IEC 61850. Ngôn ngữ SCL

Tích hợp thiết bị luôn là một trong những nhiệm vụ phức tạp nhất trong quy trình tự động hóa. Sự tích hợp này yêu cầu các quy trình cụ thể để chuyển đổi các định dạng độc quyền của nhà cung cấp hoặc tiện ích. Một định dạng được tiêu chuẩn hóa có thể xác định các khía cạnh như mô hình thông tin, chức năng của thiết bị và các tham số thiết lập kết nối sẽ cải thiện đáng kể quy trình này.

Định dạng tệp SCL cải thiện quá trình tích hợp. Nó cho phép trao đổi thông tin mô tả và thông tin được hiển thị bởi thiết bị và khả năng giao tiếp của thiết bị.

Để làm việc với các tệp SCL, IEC 61850-6 xác định chức năng phải được triển khai trong hai công cụ khác nhau: Công cụ cấu hình IED (ICT) và Công cụ cấu hình hệ thống (SCT).

Công cụ ICT được cung cấp bởi nhà cung cấp thiết bị và nó cho phép sửa đổi các tham số và tải cấu hình IEC 61850 đã tạo vào thiết bị.

Công cụ SCT được sử dụng để tích hợp các tệp cấu hình IED để xác định các tham số giao tiếp và trao đổi các dữ liệu cần thiết để tự động hoá hệ thống.

IEC 61850-6 xác định các phần mở rộng khác nhau cho các tệp SCL để giúp dễ hiểu thông tin chứa trong đó:

• SSD : Mô tả thông số kỹ thuật hệ thống. Tệp này mô tả cấu trúc liên kết của hệ thống điện để tự động hóa và các chức năng cần thiết (các nút logic) mà không bao gồm các mô hình IED cụ thể thực hiện các chức năng này.
• ICD : Mô tả khả năng CỦA IED . Tệp mẫu do nhà cung cấp cung cấp mô tả mô hình và khả năng của thông tin thiết bị. Nó là cơ sở để tự động hóa hệ thống IEC 61850.
• SCD : Mô tả cấu hình trạm biến áp. Tệp có cấu hình hoàn chỉnh của hệ thống bao gồm mô hình thông tin của thiết bị thực được chọn, tham số mạng, luồng dữ liệu và thậm chí cả mối quan hệ với cấu trúc liên kết điện.
• CID : Mô tả IED được định cấu hình . Chỉ gửi 1 IED đã định cấu hình bao gồm thông tin được xuất bản trong thông báo GOOSE và thông tin có sẵn cho các máy khách khác nhau.
• IID : Mô tả IED khởi tạo. Tệp cấu hình được tạo bằng công cụ kỹ thuật IED được tạo sau khi định cấu hình đăng ký GOOSE và gán các tín hiệu này cho logic bên trong.
• SED : Mô tả trao đổi hệ thống. Định dạng tệp được sử dụng để trao đổi thông tin cấu hình giữa hai dự án khác nhau cần cấu hình trao đổi dữ liệu bất kỳ giữa IED đặt tại các địa điểm khác nhau.

Có thể đạt được cấu hình của thiết bị điều khiển và bảo vệ bằng cách sử dụng tệp CID/IID của thiết bị xuất bản thông báo GOOSE . Việc cấu hình các client dạng SCADA hay GATEWAY thường sử dụng file SCD cấu hình đầy đủ hệ thống.

Ưu điểm của IEC 61850

IEC 61850 được xây dựng dựa trên nền tảng truyền thông giao tiếp Ethernet. Do đó, băng thông và tốc độ truyền thông tương ứng lớn hơn và nhanh hơn nhiều so với truyền thông giao tiếp nối tiếp (Serial). Với các IED phức tạp hơn, với nhiều dữ liệu yêu cầu phản hồi nhanh hơn và mạng hỗ trợ Ethernet là điều tất yếu

IEC 61850 là một giao thức hướng đối tượng so với các giao thức cũ hơn là hướng tín hiệu. Đối với các giao thức hướng tín hiệu, trong hệ thống điều khiển của bạn, bạn sẽ tham chiếu đến các điểm dữ liệu của mình là 10004, 21015 từ thiết bị 1, 2, 3,… Điều này có nghĩa là bạn sẽ phải mất thời gian để tìm hiểu từng điểm đại diện cho thư viện của bạn. Mặc dù điều này là khá ổn đối với các hệ thống quy mô nhỏ, nhưng nó sẽ trở thành vấn đề khi có hàng chục nghìn điểm dữ liệu, đây là vấn đề phổ biến đối với nguồn cung cấp điện. Mặt khác, đối với IEC 61850, việc xác định điểm dữ liệu dễ dàng hơn nhiều.

Dự phòng: không giống như các phương pháp dự phòng Ethernet khác như RSTP (rapid spanning tree protocol), dự phòng IEC 61850 cung cấp thời gian khôi phục bằng không. IEC 61850 sử dụng giao thức dự phòng song song, theo đó mỗi nguồn gửi ra 2 bản sao của khung, thông qua 2 tuyến khác nhau. Do đó, nếu một đường dẫn không thành công, dữ liệu sẽ vẫn đến đích thông qua đường thay thế, tránh thời gian chết. PRP kể từ đó đã được sửa đổi, điều chỉnh nó thành giao thức dự phòng tốc độ cao sử dụng mạng vòng, không giống như phiên bản trước của PRP hoạt động trong mạng song song. Do đó, PRP và HSR ngày nay phần lớn tương đương nhau

Các giao thức khác (MMS, GOOSE, SMV) cũng cho phép truyền dữ liệu nhanh hơn và đáng tin cậy hơn từ IED đến trạm trung tâm, giữa IED và trong trường hợp SMV, từ PT và CT đến IED.

Nhược điểm của IEC 61850

Thông tin tài liệu về tiêu chuẩn IEC 61850 rất lớn và khó học: ấn bản đầu tiên của nó được phát hành vào năm 2003 gồm 14 phần với khoảng 1.500 trang. Phiên bản 2009 gồm hơn 40 phần với số trang nhiều gấp bội. Tuy nhiên, khối lượng thông tin này là điều cần thiết để mô tả đầy đủ và chi tiết để dễ dàng tiếp cận nhất có thể.

Ngôn ngữ cấu hình IEC 61850 rất phức tạp và khó đọc. Tuy nhiên, ngôn ngữ này dành cho việc trao đổi thông tin giữa các ứng dụng máy tính và không phải để con người đọc hay thay đổi. Trong khi đó, tồn tại các công cụ có thể chuyển đổi ngôn ngữ này sang dạng con người có thể đọc được.

Tốc độ phát triển của tiêu chuẩn IEC 61850 quá nhanh. Giải pháp duy nhất là cố gắng tương thích cả về phía tương lai và tương thích ngược.

Quản trị viên.