Nghiên Cứu Ứng Dụng Giao Thức IEC 60870-5-104 Kết Nối SCADA Từ Trạm Vân Hồ Đến Trung Tâm Điều Khiển Xa

• Tác giả: Lê Sỹ Nguyên
• Người hướng dẫn: TS. Lê Tiên Phong
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Giao Thức IEC 60870-5-104 Kết Nối SCADA Từ Trạm Vân Hồ Đến Trung Tâm Điều Khiển Xa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN XA
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Trung tâm điều khiển xa và trạm biến áp không người trực
• 1.2.1. Phân cấp điều độ hệ thống điện Quốc gia
• 1.2.2. Mục tiêu xây dựng Trung tâm điều khiển xa
• 1.2.3. Mô hình tổ chức Trung tâm điều khiển và định hướng phát triển
• 1.2.4. Các quy định về đo lường, giám sát điều khiển các trạm biến áp không người trực
• 1.3. Thành phần cơ bản của hệ thống SCADA trong hệ thống điện
• 1.3.1. Chức năng của hệ thống SCADA trung tâm
• 1.3.2. Hệ thống SCADA tại các trạm biến áp không người trực
• 1.3.3. Các quy định về giao thức truyền thông
• 1.3.3.1. Các giao thức truyền thông
• 1.3.3.2. Tốc độ kênh truyền dữ liệu
• 1.3.3.3. Giao diện kết nối kênh truyền
• 1.3.3.4. Giao thức truyền tin
• 1.4. Truyền thông công nghiệp
• 1.4.1. Mạng truyền thông công nghiệp
• 1.4.2. Cấp bậc phân cấp trong mạng truyền thông công nghiệp
• 1.4.3. Các mạng công nghiệp thường được sử dụng
• 1.5. Giao thức truyền thông IEC tự động hóa trạm biến áp
• 1.5.1. Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-101
• 1.5.2. Chuẩn truyền thông IEC 60870-5-104
• 1.6. Đề xuất nội dung nghiên cứu
• 1.7. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN XA CỦA ĐIỆN LỰC SƠN LA
• 2.1. Hệ thống SCADA Sơn La và các trạm biến áp không người trực
• 2.2. Một số tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng TTĐKX
• 2.2.1. Tiêu chuẩn chung
• 2.2.2. Truyền thông và khả năng kết nối
• 2.2.3. Khả năng thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực
• 2.2.4. Tiêu chuẩn về tính bảo mật
• 2.2.5. Tiêu chuẩn về tính sẵn sàng của hệ thống (System Availability)
• 2.2.6. Tiêu chuẩn về chia sẻ và mở rộng hệ thống
• 2.3. Thành phần cơ bản hệ thống SCADA Trung tâm điều khiển xa Sơn La
• 2.3.1. Máy chủ hệ thống SCADA
• 2.3.2. Máy chủ Camera Server
• 2.3.3. Máy tính vận hành
• 2.3.6. Switch 24 ports – Layer 2
• 2.3.7. Sơ đồ kết nối mạng tại Trung tâm điều khiển xa
• 2.3.8. Hệ thống nguồn tại Trung tâm điều khiển xa
• 2.4. Phần mềm tại trung tâm điều khiển Trung tâm điều khiển xa Sơn La
• 2.4.1. Giới thiệu phần mềm Spectrum Power 5
• 2.4.2. Giao diện phần mềm SPECTRUM 5
• 2.4.3. Điều khiển giám sát trong phần mềm SP5
• 2.6. Các đặc tính kỹ thuật Hệ thống SCADA Sơn La
• 2.6.1. Truyền thông và khả năng kết nối
• 2.6.2. Tính bảo mật
• 2.7. Mô tả kết nối phần cứng hệ thống tại các TBA 110 kV khu vực Sơn La
• 2.7.1. Nguyên tắc chung
• 2.7.2. Thu thập tín hiệu thiết bị 110 kV
• 2.7.3. Thu thập tín hiệu thiết bị trung thế
• 2.8. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG GIAO THỨC IEC 60870-5-104 KẾT NỐI SCADA TỪ TRẠM VÂN HỒ TỚI TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN XA
• 3.1. Giới thiệu trạm biến áp trung gian Vân Hồ
• 3.2. Phương hướng kết nối trạm Vân Hồ đến trung tâm điều khiển xa
• 3.2.1. Cấu hình chuẩn IEC 60870-5-104
• 3.2.2. Thiết bị phần cứng
• 3.2.2.1. Thiết bị chuyển mạch công nghiệp
• 3.2.4. Thu thập dữ liệu datalist
• 3.2.5. Cấu hình chuẩn giao thức ghép nối tại trạm Vân Hồ
• 3.2.5.1. Giới thiệu phần mềm WSOS
• 3.2.5.2. Cấu hình thông số truyền thông
• 3.2.6. Cấu hình thông số tại Trung tâm điều khiển xa
• 3.2.7. Đề xuất giải pháp thử nghiệm kết nối tại trạm Vân Hồ
• 3.2.8. Đề xuất giải pháp điều khiển xa theo nhóm lệnh trạm Trung Gian Vân Hồ
• 3.9. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Ứng Dụng SCADA và IEC 60870 5 104

Trong bối cảnh hiện đại hóa lưới điện, hệ thống SCADA đóng vai trò then chốt trong việc giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu. Việc ứng dụng giao thức IEC 60870-5-104 cho phép kết nối các trạm biến áp, như Trạm Vân Hồ, đến Trung tâm điều khiển xa một cách hiệu quả. Hệ thống SCADA là một hệ thống thống nhất bao gồm các thiết bị thu thập số liệu đầu cuối, hệ thống máy tính chủ trung tâm, các kênh truyền tin truyền số liệu giữa máy chủ và các thiết bị thu thập số liệu đầu cuối như cáp quang, viba số v. Mỗi thiết bị thu thập số liệu đầu cuối - thiết bị đo xa (RTU - Remote Terminal Unit) bao gồm khối xử lý trung tâm (CPU), và các vỉ thu thập số liệu, vỉ giám sát, khối các MODEM. RTU làm nhiệm vụ thu thập số liệu và truyền số liệu thu thập được qua các hệ thống thông tin tới hệ thống máy tính chủ trung tâm. Hệ thống máy tính chủ trung tâm làm nhiệm vụ thu thập số liệu của toàn bộ hệ thống RTU, xử lý thông tin và sau đó ra lệnh điều khiển tương ứng tới các trạm. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và ứng dụng của các hệ thống thông tin đo lường điều khiển xa, hệ thống SCADA quản lý hệ thống điện thuộc Công ty Điện lực Sơn La cần phải thực hiện ghép nối trạm biến áp trung gian Vân Hồ (sau đây gọi tắt là trạm Vân Hồ) với những mục tiêu sau: + Thu thập dữ liệu vận hành trạm Vân Hồ theo thời gian thực. + Điều khiển thiết bị, chuyển đổi nhóm bảo vệ. + Lưu trữ trích xuất dữ liệu khi cần thiết phục vụ vận hành trạm biến áp trung gian Vân Hồ.

1.1. Vai trò của SCADA trong hệ thống điện hiện đại

Hệ thống SCADA ngày càng trở nên quan trọng trong việc quản lý và vận hành lưới điện. Nó cho phép giám sát từ xa, thu thập dữ liệu thời gian thực và điều khiển các thiết bị, giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống. Theo tài liệu, "SCADA là một hệ thống thống nhất bao gồm các thiết bị thu thập số liệu đầu cuối, hệ thống máy tính chủ trung tâm, các kênh truyền tin truyền số liệu giữa máy chủ và các thiết bị thu thập số liệu đầu cuối như cáp quang, viba số v."

1.2. Giao thức IEC 60870 5 104 Tiêu chuẩn kết nối SCADA

IEC 60870-5-104 là một giao thức truyền thông tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống SCADA. Nó cung cấp một phương tiện đáng tin cậy để truyền dữ liệu giữa Trung tâm điều khiển và các trạm từ xa. Giao thức này hỗ trợ truyền dữ liệu thời gian thực, điều khiển thiết bị và giám sát trạng thái hệ thống.

1.3. Ứng dụng SCADA tại Trạm Vân Hồ Mục tiêu và lợi ích

Việc triển khai SCADA tại Trạm Vân Hồ mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng thu thập dữ liệu vận hành theo thời gian thực, điều khiển thiết bị từ xa và lưu trữ dữ liệu để phân tích và báo cáo. Điều này giúp cải thiện hiệu quả vận hành và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động. Theo tài liệu, "SCADA quản lý hệ thống điện thuộc Công ty Điện lực Sơn La cần phải thực hiện ghép nối trạm biến áp trung gian Vân Hồ với những mục tiêu sau: Thu thập dữ liệu vận hành trạm Vân Hồ theo thời gian thực, điều khiển thiết bị, chuyển đổi nhóm bảo vệ, lưu trữ trích xuất dữ liệu khi cần thiết phục vụ vận hành trạm biến áp trung gian Vân Hồ."

II. Thách Thức và Giải Pháp Kết Nối SCADA với IEC 104

Việc kết nối SCADA từ Trạm Vân Hồ đến Trung tâm điều khiển xa bằng giao thức IEC 60870-5-104 đặt ra một số thách thức. Các thách thức này bao gồm đảm bảo an ninh mạng, duy trì độ tin cậy của kết nối và xử lý lượng lớn dữ liệu thời gian thực. Để vượt qua những thách thức này, cần có các giải pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và ứng dụng của các hệ thống thông tin đo lường điều khiển xa, hệ thống SCADA quản lý hệ thống điện thuộc Công ty Điện lực Sơn La cần phải thực hiện ghép nối trạm biến áp trung gian Vân Hồ (sau đây gọi tắt là trạm Vân Hồ) với những mục tiêu sau: + Thu thập dữ liệu vận hành trạm Vân Hồ theo thời gian thực. + Điều khiển thiết bị, chuyển đổi nhóm bảo vệ. + Lưu trữ trích xuất dữ liệu khi cần thiết phục vụ vận hành trạm biến áp trung gian Vân Hồ.

2.1. An ninh mạng SCADA Vấn đề bảo mật giao thức IEC 104

An ninh mạng là một mối quan tâm hàng đầu trong các hệ thống SCADA. Giao thức IEC 60870-5-104 cần được cấu hình và bảo vệ đúng cách để ngăn chặn các cuộc tấn công mạng và truy cập trái phép. Các biện pháp bảo mật như mã hóa dữ liệu, xác thực người dùng và kiểm soát truy cập cần được triển khai. Theo tài liệu, "Firewall Hệ thống bảo mật mạng giám sát và kiểm soát lưu lượng mạng đến và đi dựa trên các quy tắc bảo mật được xác định trước".

2.2. Đảm bảo độ tin cậy kết nối IEC 104 trong SCADA

Độ tin cậy của kết nối là rất quan trọng để đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải một cách chính xác và kịp thời. Các giải pháp dự phòng, như sử dụng nhiều đường truyền và thiết bị dự phòng, có thể giúp tăng cường độ tin cậy của kết nối IEC 60870-5-104. Theo tài liệu, "UPS1/UPS2 Hệ thống lưu trữ năng lượng điện".

2.3. Xử lý dữ liệu thời gian thực từ Trạm Vân Hồ

Hệ thống SCADA cần có khả năng xử lý lượng lớn dữ liệu thời gian thực từ Trạm Vân Hồ một cách hiệu quả. Các giải pháp như sử dụng cơ sở dữ liệu hiệu suất cao và thuật toán xử lý dữ liệu song song có thể giúp đáp ứng yêu cầu này. Theo tài liệu, "Dữ liệu thời gian thực".

III. Phương Pháp Triển Khai IEC 60870 5 104 cho SCADA Vân Hồ

Triển khai giao thức IEC 60870-5-104 để kết nối SCADA từ Trạm Vân Hồ đến Trung tâm điều khiển xa đòi hỏi một phương pháp tiếp cận có hệ thống. Phương pháp này bao gồm việc lựa chọn thiết bị phù hợp, cấu hình giao thức và kiểm tra kết nối. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn và hướng dẫn của IEC là rất quan trọng để đảm bảo tính tương thích và hiệu suất của hệ thống. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và ứng dụng của các hệ thống thông tin đo lường điều khiển xa, hệ thống SCADA quản lý hệ thống điện thuộc Công ty Điện lực Sơn La cần phải thực hiện ghép nối trạm biến áp trung gian Vân Hồ (sau đây gọi tắt là trạm Vân Hồ) với những mục tiêu sau: + Thu thập dữ liệu vận hành trạm Vân Hồ theo thời gian thực. + Điều khiển thiết bị, chuyển đổi nhóm bảo vệ. + Lưu trữ trích xuất dữ liệu khi cần thiết phục vụ vận hành trạm biến áp trung gian Vân Hồ.

3.1. Lựa chọn thiết bị RTU và MTU tương thích IEC 104

Việc lựa chọn thiết bị RTU (Remote Terminal Unit) tại Trạm Vân Hồ và MTU (Master Terminal Unit) tại Trung tâm điều khiển xa là rất quan trọng. Các thiết bị này cần phải tương thích với giao thức IEC 60870-5-104 và đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy. Theo tài liệu, "RTU/Gateway Thiết bị đầu cuối RTU/Gateway (viết tắt theo tiếng Anh: Remote Terminal Unit/Gateway) là thiết bị đặt tại nhà máy điện hoặc trạm điện phục vụ việc thu thập và truyền dữ liệu về hệ thống SCADA trung tâm của Trung tâm điều độ hệ thống điện hoặc Trung tâm điều khiển".

3.2. Cấu hình giao thức IEC 60870 5 104 Hướng dẫn chi tiết

Cấu hình giao thức IEC 60870-5-104 đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các tham số và tùy chọn cấu hình. Các tham số như địa chỉ trạm, thời gian chờ và kích thước gói dữ liệu cần được cấu hình đúng cách để đảm bảo kết nối ổn định và hiệu quả. Theo tài liệu, "Cấu hình IEC 60870-5-104".

3.3. Kiểm tra và xác nhận kết nối SCADA IEC 104

Sau khi cấu hình, kết nối SCADA cần được kiểm tra và xác nhận để đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải một cách chính xác và kịp thời. Các công cụ kiểm tra như trình phân tích giao thức và trình mô phỏng có thể được sử dụng để xác định và khắc phục các vấn đề kết nối. Theo tài liệu, "Kiểm thử IEC 60870-5-104".

IV. Ứng Dụng Thực Tế Kết Nối SCADA Trạm Vân Hồ và Trung Tâm

Việc kết nối SCADA từ Trạm Vân Hồ đến Trung tâm điều khiển xa bằng giao thức IEC 60870-5-104 mang lại nhiều ứng dụng thực tế. Các ứng dụng này bao gồm giám sát trạng thái thiết bị, điều khiển từ xa và thu thập dữ liệu để phân tích và báo cáo. Việc triển khai thành công hệ thống SCADA giúp nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và ứng dụng của các hệ thống thông tin đo lường điều khiển xa, hệ thống SCADA quản lý hệ thống điện thuộc Công ty Điện lực Sơn La cần phải thực hiện ghép nối trạm biến áp trung gian Vân Hồ (sau đây gọi tắt là trạm Vân Hồ) với những mục tiêu sau: + Thu thập dữ liệu vận hành trạm Vân Hồ theo thời gian thực. + Điều khiển thiết bị, chuyển đổi nhóm bảo vệ. + Lưu trữ trích xuất dữ liệu khi cần thiết phục vụ vận hành trạm biến áp trung gian Vân Hồ.

4.1. Giám sát trạng thái thiết bị từ xa qua SCADA

Hệ thống SCADA cho phép giám sát trạng thái của các thiết bị tại Trạm Vân Hồ từ xa. Các thông tin như điện áp, dòng điện, công suất và trạng thái đóng/mở của các thiết bị có thể được hiển thị trên giao diện người dùng, giúp người vận hành có thể theo dõi và phát hiện các vấn đề một cách nhanh chóng. Theo tài liệu, "Giám sát từ xa".

4.2. Điều khiển từ xa các thiết bị tại Trạm Vân Hồ

Hệ thống SCADA cũng cho phép điều khiển từ xa các thiết bị tại Trạm Vân Hồ. Các lệnh điều khiển như đóng/mở máy cắt, thay đổi điểm đặt và chuyển đổi chế độ vận hành có thể được thực hiện từ Trung tâm điều khiển xa, giúp giảm thiểu thời gian phản ứng và cải thiện hiệu quả vận hành. Theo tài liệu, "Điều khiển từ xa".

4.3. Phân tích dữ liệu SCADA Báo cáo và tối ưu hóa

Dữ liệu thu thập được từ hệ thống SCADA có thể được sử dụng để phân tích và báo cáo. Các báo cáo này có thể cung cấp thông tin về hiệu suất hệ thống, xu hướng vận hành và các vấn đề tiềm ẩn. Việc phân tích dữ liệu giúp người vận hành có thể đưa ra các quyết định tối ưu hóa và cải thiện hiệu quả vận hành. Theo tài liệu, "Phân tích dữ liệu SCADA".

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu SCADA IEC 104

Nghiên cứu và ứng dụng giao thức IEC 60870-5-104 để kết nối SCADA từ Trạm Vân Hồ đến Trung tâm điều khiển xa đã mang lại nhiều kết quả tích cực. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển tiềm năng trong lĩnh vực này. Các hướng phát triển này bao gồm tăng cường an ninh mạng, cải thiện hiệu suất hệ thống và tích hợp các công nghệ mới như Smart Grid. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và ứng dụng của các hệ thống thông tin đo lường điều khiển xa, hệ thống SCADA quản lý hệ thống điện thuộc Công ty Điện lực Sơn La cần phải thực hiện ghép nối trạm biến áp trung gian Vân Hồ (sau đây gọi tắt là trạm Vân Hồ) với những mục tiêu sau: + Thu thập dữ liệu vận hành trạm Vân Hồ theo thời gian thực. + Điều khiển thiết bị, chuyển đổi nhóm bảo vệ. + Lưu trữ trích xuất dữ liệu khi cần thiết phục vụ vận hành trạm biến áp trung gian Vân Hồ.

5.1. Tăng cường an ninh mạng cho hệ thống SCADA IEC 104

An ninh mạng là một yếu tố quan trọng cần được quan tâm trong các hệ thống SCADA. Các giải pháp như sử dụng tường lửa, hệ thống phát hiện xâm nhập và mã hóa dữ liệu có thể giúp tăng cường an ninh mạng và bảo vệ hệ thống khỏi các cuộc tấn công. Theo tài liệu, "An ninh mạng SCADA".

5.2. Tối ưu hóa hiệu suất hệ thống SCADA IEC 104

Hiệu suất hệ thống là một yếu tố quan trọng cần được tối ưu hóa. Các giải pháp như sử dụng giao thức truyền thông hiệu quả, thuật toán xử lý dữ liệu song song và cơ sở dữ liệu hiệu suất cao có thể giúp cải thiện hiệu suất hệ thống và đáp ứng yêu cầu về thời gian thực. Theo tài liệu, "Tối ưu hóa hệ thống điện".

5.3. Tích hợp SCADA IEC 104 với công nghệ Smart Grid

Việc tích hợp hệ thống SCADA với các công nghệ Smart Grid có thể mang lại nhiều lợi ích. Các công nghệ Smart Grid như đo đếm thông minh, quản lý năng lượng và điều khiển lưới điện phân phối có thể được tích hợp vào hệ thống SCADA để tạo ra một hệ thống quản lý năng lượng thông minh và hiệu quả. Theo tài liệu, "Smart Grid".