Kỳ 2: Thiết kế kỹ thuật có thể làm việc thí nghiệm hệ thống điều khiển và tự động trở nên dễ dàng hơn

05/05/2021
Digital substation

Tác giả:          Eugenio Carvalheira, Andreas Klien – OMICRON

eugenio.carvalheira@omicronenergy.com

Các thuật ngữ

  • SAS: Hệ thống tự động hóa trạm (Substation Automation System)
  • SCADA: Hệ thống điều khiển giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu
  • HMI: Giao diện người máy (Human Machine Interface)
  • Gateway: Thiết bị thu thập và chuyển đổi giao thức
  • RTU: Thiết bị giám sát và điều khiển xa (Remote Terminal Unit)
  • SCL: Ngôn ngữ cấu hình trạm (Substation Configuration Language)
  • IED: Thiết bị điện tử thông minh (Itelligent Electronics Device)
  • FAT: Thí nghiệm xuất xưởng (Factory Acceptance Test)
  • SAT: Thí nghiệm hiện trường (Site Acceptance Test)
  • SSD: Mô tả kỹ thuật hệ thống (System Specification Description)
  • ICD: Mô tả khả năng của IED (IED Capability Description)
  • CID: Mô tả IED đã được cấu hình (Configured IED Description)
  • IID: Mô tả IED tức thời (Instantiated IED Description)
  • SED: Mô tả trao đổi hệ thống (System Exchange Description)
  • SCT: Công cụ cấu hình hệ thống (System Configuration Tool)
  • SST: Công cụ đặc tả hệ thống (System Specification Tool)
  • ICT: Công cụ cấu hình IED (IED Configuartion Tool)
  • LD: Thiết bị logic (Logical Device)
  • LN: Nút logic (Logical Node)
  • Publisher: Thiết bị phát GOOSE, Sampled Value
  • Subscriber: Thiết bị nhận/đón GOOSE, Sampled Value
  • GOOSE: Sự kiện trạm hướng đối tượng chung (Generic Object Oriented Substation Event)
  • Sampled Values: Giá trị trích mẫu đo lường
  • LGOS: LN để nhận GOOSE (Logical Node for GOOSE Subscription)
  • LSVS: LN để nhận Sampled Value (Logical Node for Sampled Values Subscription)
  • DO: Đối tượng dữ liệu (Data Object)
  • DA: Thuộc tính dữ liệu (Data Attribute)
  • Dataset: Tệp dữ liệu
  • Report: Báo cáo
  • RCB: Khối điều khiển báo cáo (Report Control Block)
  • Data Model: Mô hình dữ liệu
  • Access points: Các điểm truy cập

TÓM TẮT

Trong vòng đời của một hệ thống tự động hóa trạm (sau đây gọi là SAS), việc thí nghiệm kết nối truyền thông, liên động cũng như vận hành đúng cách tất cả các tín hiệu gửi lên hệ thống SCADA tiêu tốn nhiều thời gian và công sức. Với trạm biến áp sử dụng giao thức truyền thông IEC 61850, tất cả các dữ liệu về kỹ thuật và cấu hình có thể được lưu trữ dưới dạng các tệp tin có định dạng tiêu chuẩn, gọi là các SCL files. Bài viết này trình bày một phương pháp thí nghiệm mới để gia tăng hiệu quả trong việc thí nghiệm các tính năng tự động hóa và điều khiển của một hệ thống SAS. Bài viết thảo luận về mô hình dữ liệu của IED và các yêu cầu đối với file SCL khi xác định thông số và thiết kế một hệ thống. Bài viết cũng thảo luận các cân nhắc khi thiết kế hệ thống mạng để hỗ trợ việc thí nghiệm.

I. GIỚI THIỆU

Việc thí nghiệm các cài đặt các chức năng và sơ đồ bảo vệ là cách thực hành tốt để kiểm tra một hệ thống bảo vệ, tự động hóa & điều khiển (PAC) [6]. Các công cụ và phương pháp hiện tại hỗ trợ tiêu chuẩn hóa và tự động hóa việc thí nghiệm. Các mẫu thí nghiệm được tạo sẵn cho từng loại rơle và sơ đồ bảo vệ cụ thể cho từng giai đoạn của dự án, như thí nghiệm xuất xưởng (FAT), chạy thử (Comissioning), thí nghiệm tại hiện trường (SAT) và bảo trì hệ thống.

Tuy nhiên, việc thí nghiệm hệ SAS, bao gồm các chức năng tự động, điều khiển & SCADA thường được thực hiện một cách thủ công. Nó tiêu tốn khá nhiều thời gian khi cấu hình và chạy thử hệ thống truyền thông và tự động hóa hơn việc thí nghiệm các chức năng bảo vệ. Thí nghiệm kết nối truyền thông, logic liên động, Point to Point và End to End ngày càng phức tạp và tốn nhiều công sức.

Trong các Trạm biến áp truyền thống, kiểm tra các kết nối dây & cáp giữa các IEDs có thể được thực hiện trong giai đoạn FAT & SAT và việc thí nghiệm được đánh dấu trên bản vẽ thiết kế chức năng và nhị thứ. Thí nghiệm logic rơle được thực hiện thông qua mạch nhị thứ tác động đến các đầu vào, hiển thị đèn LED hoặc xuất đầu ra… Công cụ hỗ trợ có thể là phần mềm cài đặt rơle.

Trong Trạm biến áp IEC 61850, quá trình thí nghiệm tự động hóa và điều khiển có thể được cải thiện bằng cách sử dụng phần mềm để thay thế các bước làm thủ công được mô tả ở bên trên. Quá trình này thậm chí còn hiệu quả hơn nữa nếu một số tính năng tùy chọn trong tiêu chuẩn IEC 61850 được sử dụng trong khi khai thác khả năng của file SCL.

II. TIÊU CHUẨN IEC 61850 VÀ KHÁI NIỆM SCL

IEC 61850 là tiêu chuẩn quốc tế về truyền thông trong ngành điện, nó định nghĩa không chỉ giao thức truyền thông mà còn các mô hình dữ liệu (Data Models) cho thiết bị trong trạm biến áp [3] & các dịch vụ truyền thông trừu tượng. Ba lớp dịch vụ truyền thông trừu tượng được định nghĩa trong bộ tiêu chuẩn được sử dụng cho bảo vệ, tự động hóa và điều khiển trạm biến áp là Client/Server, GOOSESV (Sampled Values). Hơn nữa tiêu chuẩn cũng định nghĩa một khái niệm cấu hình chung, độc lập với nhà cung cấp. Thông tin cấu hình có thể đọc được bằng mã máy theo định dạng chuẩn dựa trên XML được sử dụng trong quá trình này là SCL [2].

A. Quy trình cấu hình SCL

Khái niệm SCL được định nghĩa trong IEC 61850-6. Mục đích chính của nó là cho phép trao đổi dữ liệu cấu hình hệ thống truyền thông, tương thích giữa các công cụ cấu hình và công cụ thí nghiệm khác nhau.

Hình 1 minh họa khái niệm chung quá trình cấu hình một hệ thống SAS có sử dụng trao đổi dữ liệu SCL.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_1
Hình 1 – Khái niệm SCL

Các loại file SCL, với đuôi mở rộng khác nhau, được định nghĩa cho việc trao đổi thông tin:

SSD (Mô tả kỹ thuật hệ thống): mô tả sơ đồ một sợi (SLD) của trạm biến áp, các mức điện áp hiện có, thiết bị nhất thứ và các nút chức năng (Logical Node) cần để thực hiện các chức năng trạm biến áp. File SSD được tạo ra bởi công cụ mô tả (kỹ thuật) hệ thống (SST – System Specification Tool).

ICD (Mô tả khả năng của IED): Mô tả các chức năng của một loại IED. Mỗi IED sẽ có một file ICD liên quan đến nó. Bao gồm các LNs, dữ liệu và các dịch vụ hỗ trợ. ICD được tạo ra bởi Công cụ cấu hình IED (ICT – IED Configuration Tool).

SCD (Mô tả cấu hình trạm): Bao gồm tất cả các IEDs đã được cấu hình, cấu hình truyền thông và tất cả các khía cạnh IEC 61850 cho hệ thống. SCD được tạo ra bởi Công cụ cấu hình hệ thống (SCT – System Configuration Tool)

CID (Mô tả IED đã được cấu hình): Bao gồm một tập hợp con của file SCD với tất cả các thông tin liên quan đến IED. Nó cho phép các phần mở rộng riêng.

Edition 2 của tiêu chuẩn định nghĩa 2 loại file khác. File IID (Mô tả IED tức thời – cần có) mô tả một IED được cấu hình trước cho dự án và file SED (Mô tả trao đổi hệ thống – System
Exchange Description) được sử dụng cho việc trao đổi dữ liệu giữa 2 dự án khác nhau.

Có ba loại công cụ cấu hình trong quá trình là: SST, SCT, ICT (như đã nói ở trên)

SCT cho phép các kỹ sư thiết kế và cấu hình luồng dữ liệu truyền thông trên toàn hệ thống. File ICD của các IED và file SSD được nhập vào (imported) SCT. Công cụ sẽ cho phép cấu hình các tính năng liên quan đến IEC 61850 của IEDs, cấu hình liên kết truyền thông theo chiều ngang (GOOSE, SV) và cấu hình liên kết truyền thông theo chiều dọc (Client/Server Reports). Thông qua việc sử dụng dữ liệu từ file SSD, các kỹ sư cũng có thể liên kết các chức năng của IED (LNs) với thiết bị và chức năng trên sơ đồ 1 sợi. Cuối cùng, công cụ SCT văn bản hóa toàn bộ thông tin của hệ thống và xuất ra file SCD.

ICT là công cụ của nhà sản xuất được dùng để tạo ra các file ICD và để đẩy (load) các file CID vào IED.

B. Phạm vi của SCL

Ngôn ngữ SCL cho phép mô tả một mô hình gồm có 3 phần cơ bản:

Trạm (Substation): Mô tả sơ đồ một sợi của trạm biến áp bao gồm các chức năng và thiết bị nhất thứ được sử dụng; Các chức năng và thiết bị có liên quan đến các LNs trong mỗi IED;

IED: Mô tả tất cả thiết bị phần cứng (IEDs) được sử dụng trong một hệ SAS. Mô hình dữ liệu trong mỗi IED bao gồm các LDs và LNs được mô tả ở phần này. Các IEDs sẽ được kết nối vào hệ thống truyền thông thông qua các điểm truy cập (Access-Points);

Truyền thông (Communication): Mô tả các liên kết logic giữa các IEDs trong các mạng con (sub-networks) thông qua các điểm truy cập (các cổng giao tiếp).

Nội dung đầy đủ của một file SCD bao gồm 3 phần trên cộng thêm phần mô tả dữ liệu mẫu (templates) trong đó có dữ liệu và các thuộc tính được sử dụng trong các IEDs.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_2
Hình 2 – Nội dung một SCL đơn giản

C. Cấu trúc trạm và đặt tên chức năng

Cấu trúc trạm thể hiện thiết kế hệ thống thiết bị nhất thứ và mô tả việc đấu nối và các chức năng của thiết bị nhất thứ được sử dụng. Các đối tượng trong phần này được thiết kế phân cấp và đặt tên tuân theo tiêu chuẩn IEC 81346. Hình 3 là ví dụ minh họa sơ đồ SLD trạm biến áp truyền thống đặt tên theo tiêu chuẩn IEC 81346 cho thiết kế và các thiết bị trạm như là dao cách ly, dao nối đất và máy cắt.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_3
Hình 3 – Thiết kế và đặt tên trong trạm biến áp

Mục đích chính của phần này là đưa ra cách đặt tên các chức năng LDs của IED trong thiết kế trạm. Đặt tên tín hiệu, ứng dụng của có thể theo tên của IED và chức năng liên quan.

Dặt tên theo chức năng để nhận biết tín hiệu dựa trên tên thiết kế trạm đến lớp dưới LN, theo sau đó là các tên thuộc tính và đối tượng dữ liệu tiêu chuẩn hoàn chỉnh về mặt ngữ nghĩa. Trạng thái của QB1 trong ngăn lộ Q01 (hình 3) được nhận biết qua tên đường dẫn là AA1D1Q01QB1/CSWI.pos.stVal và gắn với LN CSWI của IED ngăn lộ AA1D1Q01, trong đó:

– AA1: tên trạm;

– D1: tên cấp điện áp;

– Q01: tên ngăn lộ;

– QB1: tên thiết bị (dao cách ly)

D. Nội dung và cách dùng các file SCD

Như đã giải thích ở bên trên, file SCD là kết quả cuối cùng của thiết kế hệ thống IEC 61850 hoàn thiện. File SCD không những được sử dụng cho các công cụ cấu hình và xây dựng tài liệu mà còn được cho việc thí nghiệm. Các công cụ thí nghiệm có thể hỗ trợ quá trình thử nghiệm hiệu quả hơn, tận dụng lợi thế của thông tin file SCD về trạm.

Tuy vậy, trong khi tiêu chuẩn định nghĩa rõ khái niệm quá trình cấu hình, nhưng nó không định nghĩa yêu cầu nội dung tối thiểu cho file SCD. Ví dụ như thông tin về cấu trúc liên kết (Topology) trong phần trạm lại là tùy chọn. Thông tin trong phần IED tùy thuộc vào khả năng của các sản phẩm IED được sử dụng trong dự án. Rõ ràng là hiệu quả của các công cụ thí nghiệm phụ thuộc vào khả năng của IED và thông tin tổng thể có trong file SCD.

III. CÁC LƯU Ý KHI CẤU HÌNH HỆ THỐNG IEC 61850

Những yêu cầu về thí nghiệm nên xem như là một phần không thể thiếu của quá trình cấu hình. Để tăng hiệu quả thí nghiệm, quy trình thí nghiệm cần được xác định rõ từ giai đoạn xác định yêu cầu và thiết kế thiết kế của hệ thống.

Như đã đề cập ở phần trên, file SCD chứa các thông tin cực kỳ quan trọng mà các công cụ thí nghiệm có thể cung cấp. Do vậy, các phải nắm được các yêu cầu chính của IED và SCD để tối ưu việc thí nghiệm. Phần này sẽ thảo luận về một số trong các yêu cầu đó, đưa ra các điểm cần lưu ý và cách cấu hình hệ thống.

A. Những yêu cầu đối với IED

1. Chế độ thí nghiệm (test Mode) và cờ mô phỏng (Simulation Flag)

Để thí nghiệm các trạm biến áp đã đóng điện hoặc trong khi bảo dưỡng, phải cô lập các IED cần thí nghiệm để tránh tác động cắt máy cắt hoặc sự trao đổi tín hiệu không mong muốn giữa các IED. Edition 2 của tiêu chuẩn cung cấp 2 tính năng nâng cao để thực hiện việc cô lập thí nghiệm [5].

Một trong những tính năng đó là khả năng đưa một chức năng hoặc IED sang chế độ thí nghiệm (Test Mode) bằng cách sử dụng chế độ đối tượng dữ liệu (Mod). Tùy theo giá trị Mod của từng LNs trong một LD, trạng thái thí nghiệm được xác định bởi thuộc tính Hành vi (Beh). Các nhà sản xuất IED thường chọn cách triển khai đơn giản với một đối tượng dữ liệu Mod được sử dụng để đặt toàn bộ IED trong chế độ thí nghiệm. Giá trị của các đối tượng dữ liệu Mod có thể là: On, blocked, test, test/blocked và off.

Tính năng khác là Cờ mô phỏng (Simulation Flag) trong GOOSE và SV (Sampled Valued). Các đối tác nhận (Subscribers) sẽ xử lý cờ mô phỏng. Đối tượng dữ liệu LPHD.Sim đóng vai trò chuyển tiếp các bản tin đến từ IED thật trong hệ thống và mô phỏng các bản tin từ các hợp bộ hoặc công cụ thí nghiệm.

2. LGOS và LSVS

Việc xác thực bản tin GOOSE hoặc SV đang được gửi đi (published) không phải là nhiệm vụ phức tạp. Bởi các bản tin này sử dụng cơ chế multicast, nó sẽ được bắt (sniff) một cách dễ dàng trong mạng. Tuy nhiên, việc xác thực các bản tin thu nhận được bởi các IED khác sẽ không là một nhiệm vụ dễ dàng nếu không đưa các LNs vào mô hình dữ liệu của các IED.

IEC 61850-7-4 Ed.2 [3] định nghĩa LGOS được sử dụng để giám sát trạng thái thu nhận bản tin GOOSE. Tương tự, LSVS được sử dụng để giám sát trạng thái của việc thu nhận SV.

LGOS và LSVS LN cần được được cấu hình cho từng điểm nhận để các công cụ thí nghiệm có thể tự động xác thực các bản tin đến thông qua kết nối Client/Server. Công cụ thí nghiệm có thể xác định ra vấn đề không nhận được GOOSE/SV hoặc khi cấu hình sai giữa Publisher và Subcriber.

3. Các Report Owner và Static Dataset

Report (báo cáo) là dịch vụ Client/Server được định nghĩa bở tiêu chuẩn và đươc sử dụng trong các hệ thống SCADA để truyền danh sách sự kiện (event list) từ Server (IED) đến Client (RTU, Gateway hoặc HMI). Nó sử dụng giao thức MMS và thiết lập kết nối một-một giữa các Client và Server.

Các khối điều khiển báo cáo (Report Control Block) trong mô hình dữ liệu IED chứa các thông số cấu hình báo cáo. Tiêu chuẩn định nghĩa thuộc tính tùy chọn “Chủ sở hữu – Owner” được sử dụng để xác định Client nào đang sử dụng Report đó. Một công cụ thí nghiệm có thể kiểm tra các kết nối Client/Server được cấu hình trước đó có hoạt động hay không bằng cách quét giá trị thuộc tính “owner” của RCB.

Các dataset được sử dụng bởi các Report để xác định các thuộc tính (tín hiệu) nào của mô hình dữ liệu được đưa vào Report. Dataset có thể được được tạo ra tĩnh hoặc động.

Dataset động (dynamic dataset) sẽ được tự động tạo ra bởi Client sau khi nó thiết lập kết nối đến Server, tức là Client sẽ định nghĩa nội dung của Report. Nội dung của Dynamic Dataset không được mô tả trong file SCD và thường được ghi lại trong “bảng tín hiệu SCADA” riêng biệt và thường không nhất quán. Dataset tĩnh (static dataset) được định nghĩa trong công cụ cấu hình hệ thống (SCT) khi cấu hình IED và không thể thay đổi bởi Client. Sử dụng Dataset tĩnh có lợi thế là dữ liệu trong report được mô tả trong file SCD và sẵn sàng cho mục đích thí nghiệm và xây dựng tài liệu. Trong mọi trường hợp các Dataset chỉ nên gồm những đối tượng dữ liệu (tín hiệu) thực tế được xử lý bởi các Client tương ứng. Khi dataset có quá nhiều (overloading) các tín hiệu có sẵn trong mô hình dữ liệu của IED sẽ gây ra quá tải không cần thiết cho hệ thống mạng, làm cho việc thí nghiệm tín hiệu khó khăn hơn và làm cho dung lượng SCD file rất lớn.

B. Những yêu cầu đối với file SCD

Phần này sẽ nói về những yêu cầu đối với nội dung của file SCD. Ví dụ bên dưới trích từ các file SCD để chỉ ra các thông tin bên trong nhờ tiện ích của các công cụ thí nghiệm và người dùng có thể chỉnh sửa thủ công những file SCD này. Công cụ cấu hình hệ thống (SCT) sẽ cung cấp giao diện đồ họa dễ dùng để tạo và cấu hình các SCD file.

1. Cấu trúc trạm và sự liên hệ giữa thiết bị với các LNs

Như đã đề cập ở bên trên, phần trạm của file SCD là tùy chọn. Nếu các công cụ hỗ trợ cấu hình và phần này được cấu trúc đúng, thì các công cụ thí nghiệm có thể hiển thị các IED và thiết bị đúng vị trí được thiết kế.

Hình 4 minh họa một đoạn của phần trạm SCL trong hình 3. Cấu trúc phân tầng <Trạm>, <Cấp điện áp>, <Ngăn lộ>, <Thiết bị> được cấu hình và diễn giải như bên dưới

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_4
Hình 4 – Minh họa phần SCL Trạm biến áp

Hình 5 thể hiện công cụ thí nghiệm sau khi nhập file SCD trạm Hình 3. 5 ngăn lộ (chỉ thể hiện 3) của cấp điện áp 380kV được nhóm cùng với máy cắt, dao cách ly, dao nối đất theo ngăn lộ tương ứng. Mặc dù thông tin sơ đồ 1 sợi không được hiển thị đầy đủ nhưng việc hiển thị thiết bị và IED rất hữu ích và dễ hiểu.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_5′

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_5
Hình 5 – Hiển thị trạm trong công cụ thí nghiệm

Thiết bị đóng cắt (máy cắt, dao cách ly, dao nối đất) phải được liên kết với các LNs của IED. Công cụ cấu hình cho phép cấu hình dạng đồ họa các liên kết này và định nghĩa chúng trong phần SCL trạm bằng cách sử dụng tham chiếu <LNode>. Máy cắt QA1 ngăn lộ Q01 (hình 4) được liên kết với các LNs “XCBR”, “XSWI” và “CSWI” của IED có tên là AA1D1Q01Q1. Các tín hiệu này liên kết với máy cắt QA1 khi lựa chọn trong sơ đồ của công cụ thí nghiệm (hình 6). Vì chúng được liên kết với các LNs của IED Q1, nên công cụ sẽ cho biết liệu các tín hiệu này có được IED truyền qua GOOSE hay Reports. Các tín hiệu GOOSE được thể hiện với đường màu Tím, Report được thể hiện với các đường màu xanh dương.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_6
Hình 6 – Các tín hiệu gán cho máy cắt QA1

Tương tự như máy cắt, các biến dòng điện và biến điện áp cũng có các <LNode> (tham khảo “TCTR” & “TVTR” của IED).

2. Các thuộc tính mô tả SCL

Nếu như các đối tượng dữ liệu (DO – Data Object) được trang bị các thuộc tính mô tả “desc” SCL, thì công cụ thí nghiệm có thể hiển thị các văn bản này dạng tên tín hiệu. Các công cụ cấu hình thường cho phép người dùng đặt tên DO. Thay vì hiển thị trực quan LD IEC 61850, tên các đối tượng dữ liệu và thuộc tính có thể được quan sát theo quy ước đặt tên của riêng mình. Sự phức tạp của IEC 61850 có thể được ẩn đi hoặc hiển thị theo yêu cầu. Trong hình 7, vị trí máy cắt được thể hiện trong cửa sổ chính, trong khi tên LN XCBR chỉ hiển thị khi xem chi tiết.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_7
Hình 7 – Hiển thị mô tả tín hiệu

3. Cấu hình GOOSE

LN LGOS xác các bản tin GOOSE nào được thu nhận và cho phép giám sát trạng thái tiếp nhận. Ngôn ngữ cấu hình trạm SCL cũng hỗ trợ các cách khác để mô tả các tiếp nhận. Chúng có thể được mô tả trong phần IED của file SCL bằng cách sử dụng phần tử <IEDName> trong Khối điều khiển GOOSE (<GSEControl>) hoặc sử dụng các phần tử <Inputs><ExtRef type=”GOOSE“>. Cấu hình GOOSE của IED AA1D1Q01Q1 trong file SCD (hình 8) mô tả có 05 IEDs khác thu nhận GOOSE từ nó.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_8
Hình 8 – Tiếp nhận GOOSE trong file SCD

Hình 9 thể hiện các công cụ thí nghiệm có thể chỉ ra các liên kết GOOSE và mối quan hệ giữa Publisher và các Subscriber.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_9
Hình 9 – Thể hiện các kết nối GOOSE

Một thuộc tính có giá trị khác cần quan tâm khi cấu hình GOOSE là “minTime” và “maxTime”. Các thuộc tính này là tùy trọn và mô tả thời gian truyền tối thiểu và tối đa khi IED phát bản tin GOOSE.

4. Cấu hình Report

Cũng giống như GOOSE, các kết nối Report trong hệ thống SCADA cũng có thể được mô tả trong SCD file. HMIs, RTUs hoặc Gateways có thể dùng cáckhối điều khiển báo cáo. Nó cần được khai báo bằng các phần tử <ClientLN> trong <ReportControl> như hình 10 và 11.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_10
Hình 10 – RCB với các Clients của nó

 

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_11
Hình 11 – Công cụ thí nghiệm hiển thị các kết nối Report

C. Thiết kế hệ thống mạng

Khi thiết kế hệ thống mạng truyền thông [4], cần cân nhắc các khía cạnh thí nghiệm, khi thí nghiệm xuất xưởng, chúng ta có thể thoải mái đưa thiết bị vào/ra khỏi hệ thống mạng, nhưng việc này sẽ là hạn chế lớn khi hệ thống đã vận hành. Trình tự thí nghiệm rõ ràng cùng với các kịch bản thí nghiệm cần được định rõ khi thiết kế SAS. Hệ thống mạng phải cho phép thí nghiệm mà không khiến hệ thống làm việc sai hoặc sự số về anh ninh mạng.

1. Cấu trúc hệ thống mạng

Khi thiết kế cấu trúc hệ thống mạng, các điểm truy cập vật lý (access points) cho mục đích thí nghiệm cần phải được định nghĩa rõ và thể hiện trong tài liệu của hệ thống SAS. Vị trí vật lý của các điểm truy cập cũng cần được cân nhắc. Người thí nghiệm chỗ có thể kết nối hợp bộ thí nghiệm, laptop cho hạng mục thí nghiệm liên quan. Để giám sát hệ thống truyền thông, từ vị trí thí nghiệm có thể truy cập tới tất cả các phân đoạn mạng, Process bus, Station bus để quan sát toàn bộ hệ thống. Cân nhắc sử dụng RedBox để kết nối hợp bộ thử nghiệm trong các hệ thống mạng có dự phòng HSR và PRP.

2. Kiểm soát lưu lượng

Để phòng ngừa và giảm thiểu quá tải, lưu lượng không cần thiết có thể phải giới hạn trong mạng. Cơ chế Multicast hoặc lọc VLAN có thể được sử dụng để kiểm soát lưu lượng trong mạng. VLAN cho phép tách mạng logic. Khi thiết kế kỹ thuật, mỗi GOOSE và SV có thể gắn với các miền VLAN trong từng cổng của switch được cấu hình cho từng VLAN. Khả năng thí nghiệm hệ thống SAS cần được cân nhắc khi thiết kế kiểm soát lưu lượng để tránh phải thay đổi cấu hình về sau chỉ nhằm mục đích thí nghiệm. Khi lọc bằng VLAN, thiết kế trước cổng mạng nào sẽ được sử dụng cho thiết bị thí nghiệm và cấu hình các miền VLAN phù hợp cho cổng này.

IV. THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM

A. Phương pháp thí nghiệm

Như đã đề cập ở trên, việc thí nghiệm các tính năng điều khiển và tự động hóa thường được thực hiện một cách thủ công. Các công cụ cung cấp các khả năng thí nghiệm trên từng IED, cho phép thí nghiệm và mô phỏng từng IEDs đơn lẻ.

Phương pháp sau đây là mở rộng việc thí nghiệm và mô phỏng đơn lẻ IED sang thí nghiệm toàn bộ hệ thống SAS. Thí nghiệm toàn bộ dự trên file cấu hình SCD của hệ thống. Khi nhập file SCD, toàn bộ hệ thống được hiển thị và tất cả các thông tin trong SCD sẽ được sử dụng. Thông tin trong phần trạm được sử dụng để đặt các IED và các thiết bị đóng cắt vào trong các ngăn lộ với mức điện áp tương ứng. Như thể hiện ở Hình 5, kỹ sư thí nghiệm có thể xem hệ thống theo cách quen thuộc là sơ đồ 1 sợi hoặc giao diện Local HMI của trạm.

Phương pháp này phù hợp để thí nghiệm hệ thống SAS trong suốt vòng đời của dự án, các giai đoạn dự án được mô tả trong tiêu chuẩn IEC 61850-4 và thể hiện trong Hình 12. Công cụ thí nghiệm cần hỗ trợ giám sát cũng như mô phỏng hệ thống. Hợp bộ thí nghiệm cần phải có quyền truy cập vào lưu lượng mạng và kết nối MMS với các IED khi thí nghiệm hệ thống.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_12
Hình 12 – Vòng đời dự án SAS

Trong quá trình cấu hình, file SCD có thể được xác thực và được sử dụng để hỗ trợ cấu hình các thiết bị. Việc phát triển và thí nghiệm các SCADA RTUs và HMIs có thể bắt đầu bằng việc mô phỏng hành vi truyền thông của tất cả các IED trong hệ thống. Trong quá trình FAT, các IED còn thiếu có thể được mô phỏng để thí nghiệm với những IED sẵn có. Đến khi dự án đi vào giai đoạn chạy thử, giám sát và thí nghiệm các IED thật được thực hiện thay vì mô phỏng.

Một trong những nhân tố chính cho một phương pháp hiệu quả là có thể tạo ra các kịch bản/ trình tự thí nghiệm. Các trình tự thí nghiệm có thể văn bản hóa và sử dụng lại trong suốt vòng đời của hệ SAS. Các chuỗi thí nghiệm có thể được thực hiện và đánh giá một cách tự động.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_13
Hình 13 – Ví dụ trình tự thí nghiệm

B. Xác thực các kết nối truyền thông

Sau khi tải file SCD và có quyền truy cập vào lưu lượng mạng và kết nối MMS tới các IED, công cụ thí nghiệm có thể tự động xác thực toàn bộ các kết nối truyền thông của GOOSE, Sampled Values và Report.

Hộp bộ thử nghiệm có thể gọi (poll) các thuộc tính của IED và xác thực với mô hình. Nó có thể kiểm tra các RCB có được sử dụng hay không nếu các chủ thể (Owner) của Report là các Client được khai báo trong file SCD.

Các kết nối truyền thông GOOSE có thể được xác thực là:

– GOOSE không khớp ở phía gửi: bằng cách kiểm tra cài đặt Khối điều khiển;

– Các lỗi phát GOOSE: bằng cách bắt trong mạng và song sánh với file SCD;

– Các lỗi nhận GOOSE: bằng cách xác thực các trạng thái LGOS trong mỗi IED nhận GOOSE, tìm ra các khai báo không khớp.

Hình 14 thể hiện IED phát GOOSE được xác thực và phát hiện vấn đề ở IED tiếp nhận do cấu hình không khớp. Tín hiệu cảnh báo màu vàng đường kết nối thể hiện vấn đề này.

 

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_14
Hình 14 – Kiểm tra các kết nối giữa bộ Phát-Thu GOOSE

C. Thí nghiệm Logic liên động

Logic liên động trong các IEDs thực hiện nhiều chức năng tự động hóa. Nó có thể được thí nghiệm tự động và đánh giá kết quả bằng phương pháp này nhờ việc mô phỏng các đầu vào của Logic (mô phỏng IED hoặc trạng thái của các thiết bị đóng cắt thực). Để thể hiện kết quả các điều kiện của Logic liên động, IEC 61850 mô tả LN CILO. Đọc tự động trạng thái CILO để xác định kết quả thí nghiệm logic.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_15
Hình 15 – Thí nghiệm sơ đồ logic liên động

D. Tìm lỗi đường truyền tín hiệu

Có rất nhiều bản tin và tín hiệu được truyền trong hệ thống SAS. Một tín hiệu sẽ đi qua nhiều bước trước khi đến được trung tâm điều khiển. Nếu có lỗi truyền thông, người thí nghiệm cần phải lần theo đường truyền của chúng trong hệ thống SAS. Việc tìm các lỗi tín hiệu như vậy trong các trạm truyền thống tốn nhiều thời gian. Với phương pháp thì nghiệm này trong trạm IEC 61850, người thí nghiệm có thể lần theo cách các tín hiệu truyền trong hệ thống SAS.

Thiet ke & thi nghiem TBA KTS_16
Hình 16 – Trạng thái của máy cắt được truyền trong hệ thống SAS

E. Thí nghiệm cấu hình RTU/Gateway và Local HMI

Gateway, RTU và Local HMI thường kết nối với hầu hết các IED trong hệ thống thông qua Report là chính, nhưng cũng có thể thông qua GOOSE. Thông thường, vài nghìn tín hiệu cần được thí nghiệm. Trong quá trình chạy thử, ít nhất các tín hiệu quan trọng nhất cần phải được thí nghiệm Point-to-Point bằng cách mô phỏng tín hiệu sân trạm. Các tín hiệu khác có thể được mô phỏng bằng công cụ thí nghiệm. Trình tư thí nghiệm có thể được thiết lập để mô phỏng tất cả các IED và tín hiệu trong trạm kiểm tra nhanh hơn.

Hầu hết các Gateway/RTU, HMI và IED cần được cập nhật Firmware và các bản vá bảo mật trong vòng đời của nó. Các thiết bị có thể dễ dàng được thí nghiệm lại sau khi cập nhật nhờ thủ tục thí nghiệm đã được chuẩn bị trước. Các thí nghiệm này có thể được thực hiện trong trạm với tất cả các IED khác được mô phỏng bằng một công cụ thí nghiệm hiện đại mà không ảnh hưởng đến các thiết bị đang hoạt động trong hệ thống.

V. KẾT LUẬN

Ngôn ngữ cấu hình trạm (SCL) được mô tả trong IEC 61850-6 là một trong những điểm tiên tiến nhất của tiêu chuẩn. Nó tạo ra khả năng tương thích giữa các công cụ cấu hình. Tất cả các khía cạnh của hệ thống mạng được lưu trong file SCD và được thể hiện trong cho tài liệu hoàn công của hệ thống. Việc đặc biệt quan trọng bởi vì ngày càng có nhiều tín hiệu đi dây cứng giữa các ngăn lộ được thay thế bởi việc sử dụng rộng rãi các dịch vụ GOOSE, theo cách đó SCD file trở thành bản vẽ thi công và sơ đồ đấu dây. Tuy nhiên, việc thiếu các công cụ khai thác toàn bộ khả năng của ngôn ngữ SCL là một trong những thách thức mà chúng ta sớm phải đối mặt. Các công cụ đang được cải thiện sẽ thay đổi tình trạng này. Một số tính năng chính trong Edition 2 của bộ tiêu chuẩn cuối cùng cũng đã được triển khai trong các IED.

Các kỹ sư thí nghiệm và bảo dưỡng sử dụng các công cụ thí nghiệm hiện đại cũng được hưởng lợi từ tất cả các thông tin có sẵn trong các SCD files. Để tối đa hóa hiệu năng của các công cụ, các yêu cầu chính với IED và SCL cần được đáp ứng và do đó cần phải yêu cầu các thông số kỹ thuật cho các bài thầu và hợp đồng. Các yêu cầu này được thảo luận trong bài viết để hỗ trợ các kỹ sư về cách cấu hình và thiết kế hệ thống SAS.

Phương pháp thí nghiệm sáng tạo đã được trình bày để thí nghiệm các phần truyền thông, tự động hóa, điều khiển & SCADA đối với hệ SAS là dựa trên thông tin của file SCD. Các trình tự thí nghiệm có thể được văn bản hóa và tự động việc thí nghiệm trước đây đã tiêu tốn rất nhiều thời gian. Công tác thí nghiệm trở thành một phần của hệ thống và nhanh chóng chuyển sang vai trò kiểm tra và giám sát.

Biên dịch

Nguyễn Tuấn Việt

ENTEC A&T

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] IEC 61850-4 Ed.2: 2011 Communication networks and systems for power utility automation – Part 4: System and project management.

[2] IEC 61850-6 Ed. 2: 2009: Communication networks and systems for power utility automation – Part 6: Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs.

[3] IEC 61850-7-4 Ed. 2: 2010: Communication networks and systems for power utility automation – Part 7-4: Basic communication structure – Compatible logical node classes and data object classes.

[4] IEC TR 61850-90-4: 2013: Communication networks and systems for power utility automation – Part 90-4: Network Engineering Guidelines.

[5] C. Brunner, F. Steinhauser, “Testing and IEC 61850 Edition 2 – what does it mean for the Protection Engineer”, International Protection Testing Symposium, 2010.

[6] E. Carvalheira, J. Coronel, “A Testing Approach for Commissioning the entire Protection System in Sampled Values Based Substations”, SIPSEP – Simposio sobre Protecciones de Sistemas Electricos, Mex-ico, 2013.

[7] A. Klien, T. Schossig, “New Methods for Testing Automation and Control”, PACWorld Americas Conference, Raleigh, NC, 2018.

Mời các bạn theo dõi thêm các bài viết cùng chủ đề:

Kỳ 1: Trạm biến áp kỹ thuật số – thế hệ trạm biến áp thông minh tiếp theo cho lưới điện

This entry was posted in . Bookmark the permalink.
024 6683 0230

Send us
an Email

Contact