Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối tại tỉnh Sơn La không ngừng mở rộng với yêu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện. Công tác vận hành lưới điện truyền thống đòi hỏi lực lượng nhân viên đông đảo và đối mặt với nhiều nguy cơ mất an toàn khi xảy ra sự cố trên diện rộng. Từ tháng 6 năm 2018, Trung tâm điều khiển xa Sơn La chính thức đi vào vận hành để giám sát và điều khiển 06 trạm biến áp 110 kV gồm Mộc Châu, Sơn La, Mường La, Thuận Châu, Phù Yên và Sông Mã. Tuy nhiên, trạm biến áp trung gian Vân Hồ vẫn vận hành theo phương thức truyền thống tại chỗ, chưa được tích hợp hệ thống giám sát và điều khiển từ xa, khiến các kịch bản chuyển đổi phương thức cấp điện thiếu tính linh hoạt.

Vấn đề then chốt được đặt ra là làm thế nào để tích hợp thành công trạm Vân Hồ vào hệ thống SCADA trung tâm nhằm tự động hóa hoàn toàn quy trình giám sát và thao tác đóng cắt. Mục tiêu cụ thể của công trình là nghiên cứu giải pháp kỹ thuật, phân tích cấu hình giao thức IEC 60870-5-104 và thực hiện ghép nối thông tin từ tủ điều khiển tại trạm Vân Hồ về phần mềm Spectrum Power 5 tại Trung tâm điều khiển xa Sơn La.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống lưới điện phân phối thuộc Công ty Điện lực Sơn La trong giai đoạn 2018-2020. Nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn khi nâng cao mức độ sẵn sàng của kênh truyền dữ liệu lên trên 99,9%, giảm thời gian thao tác xử lý sự cố từ 45 phút xuống dưới 2 phút và tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành nhân sự cho ngành điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết vững chắc về tự động hóa hệ thống điện và truyền thông công nghiệp hiện đại:

  • Mô hình phân cấp điều độ hệ thống điện Quốc gia: Căn cứ theo Thông tư 40/2014/TT-BCT và Quyết định 55/QĐ-ĐTĐL, hệ thống điều độ được phân thành 03 cấp gồm cấp quốc gia, cấp miền và cấp phân phối tỉnh. Trung tâm điều khiển xa đóng vai trò hạt nhân thu thập dữ liệu và chỉ huy thao tác các thiết bị trên lưới điện trung, cao áp.
  • Kiến trúc truyền thông công nghiệp 3 cấp: Mô hình phân cấp từ cấp trường (Device Level) giao tiếp với các cảm biến và bộ điều khiển, cấp điều khiển (Control Level) với các bộ PLC, RTU và hệ thống máy tính, đến cấp thông tin (Information Level) quản lý dữ liệu diện rộng qua mạng LAN, WAN.
  • Mô hình tham chiếu kết nối hệ thống mở OSI 5 lớp của chuẩn IEC 60870-5-104: Giao thức mở rộng từ tiêu chuẩn IEC 60870-5-101 nhưng thay thế các lớp liên kết và vật lý bằng chồng giao thức TCP/IP trên nền mạng Ethernet tốc độ cao. Giao thức này cho phép truyền dữ liệu đồng thời giữa nhiều thiết bị qua địa chỉ IP mà không bị giới hạn bởi các kênh truyền điểm - điểm cổ điển.
  • Tiêu chuẩn an ninh bảo mật NERC CIP: Thiết lập các quy chuẩn nghiêm ngặt về phân quyền người dùng, quản lý tài khoản, mã hóa và bảo vệ hệ thống SCADA trước các nguy cơ tấn công mạng.

Các khái niệm chính được sử dụng xuyên suốt công trình bao gồm: SCADA (Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu), RTU/Gateway (Thiết bị đầu cuối thu thập dữ liệu), ASDU (Đơn vị dữ liệu dịch vụ ứng dụng), IOA (Địa chỉ đối tượng thông tin), tín hiệu trạng thái 1 bit (SDI), tín hiệu trạng thái 2 bit (DDI), tín hiệu đo lường tương tự (AI) và lệnh điều khiển từ xa (RC).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm thông số kỹ thuật phần cứng máy chủ Dell PowerEdge R730, phần mềm điều khiển trung tâm Spectrum Power 5, tủ điều khiển máy cắt ADVC3 Controller và các quy chuẩn kỹ thuật của Tập đoàn Điện lực Việt Nam.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu tiến hành khảo sát và thu thập toàn diện cỡ mẫu gồm 100% các điểm dữ liệu vào ra (I/O) thực tế tại trạm biến áp trung gian Vân Hồ, bao gồm hàng chục tín hiệu trạng thái, thông số đo lường dòng điện, điện áp và các tín hiệu điều khiển đóng cắt, nằm trong cấu trúc dung lượng quản lý lên đến hơn 50.000 điểm dữ liệu của Trung tâm điều khiển xa Sơn La. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm bao quát toàn bộ các đối tượng thiết bị cần giám sát, đo lường và bảo vệ tại trạm trung gian.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm kết hợp cấu hình phần mềm: Phương pháp này cho phép thiết lập trực tiếp thông số truyền thông trên phần mềm chuyên dụng WSOS phiên bản 5, mô phỏng kiểm tra chất lượng bản tin truyền dẫn bằng phần mềm IEC-Test và tích hợp trực tiếp vào giao diện đồ họa Spectrum Power 5. Việc phân tích thực nghiệm trên hệ thống thời gian thực giúp kiểm soát độ trễ truyền thông dưới 1 giây, kiểm tra độ chính xác của từng địa chỉ IOA và đảm bảo tính đồng bộ dữ liệu qua hệ thống vệ tinh GPS với tốc độ truyền dẫn đạt từ 64 kbps đến 2 Mbps. Tiến độ nghiên cứu được triển khai liên tục và hoàn thiện trong giai đoạn từ năm 2018 đến cuối năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thử nghiệm thực tế đã mang lại nhiều kết quả nổi bật:

  • Vượt trội về hiệu năng truyền dẫn dữ liệu: Giao thức IEC 60870-5-104 trên nền tảng mạng IP cho phép nâng tốc độ truyền dữ liệu từ mức 9,6 kbps của chuẩn IEC 60870-5-101 lên mức 2 Mbps trên kênh cáp quang, tăng tốc độ truyền dẫn gấp hơn 200 lần. Tỷ lệ nghẽn gói tin giảm xuống 0% và hỗ trợ hoàn hảo các gói tin nhãn thời gian 32 bit CP56Time2a với độ chính xác mili-giây.
  • Tối ưu hóa cấu trúc kết nối phần cứng và dữ liệu: Đã xây dựng thành công bảng cơ sở dữ liệu datalist hoàn chỉnh cho trạm Vân Hồ, gán chính xác các địa chỉ IOA cho nhóm tín hiệu SDI (từ địa chỉ 1000), DDI (từ địa chỉ 2000), AI (từ địa chỉ 5000) và lệnh điều khiển DO (từ địa chỉ 3000). Giải pháp sử dụng cổng Ethernet RJ45 trên tủ ADVC3 giúp cắt giảm hơn 70% số lượng cáp nhị thứ và hàng kẹp phụ trợ so với mô hình RTU truyền thống.
  • Tự động hóa chuyển đổi nhóm bảo vệ thành công: Luận văn đã thiết lập giải pháp chuyển đổi nhanh giữa nhóm bảo vệ 1 (Group 1) và nhóm bảo vệ 2 (Group 2) của máy cắt Recloser từ xa. Thời gian thực thi lệnh chuyển nhóm chỉ mất dưới 2 giây, giúp hệ thống điện thích ứng ngay lập tức với các kịch bản vận hành mạch vòng hoặc độc lập.

Thảo luận kết quả

Thành công của việc ghép nối xuất phát từ việc tận dụng triệt để nền tảng TCP/IP của giao thức IEC 60870-5-104. Thay vì phải sử dụng các modem V24/4W và thiết bị ghép kênh phức tạp như chuẩn IEC 101, giao thức IEC 104 cho phép trạm Vân Hồ truyền đồng thời dữ liệu SCADA, tín hiệu camera giám sát và mạng quản trị nội bộ trên một đường truyền cáp quang duy nhất.

Dữ liệu hiệu năng truyền thông có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ so sánh thời gian đáp ứng lệnh điều khiển giữa chuẩn IEC 101 và IEC 104, kết hợp với bảng thống kê sai số đo lường của các đại lượng điện áp (kV), dòng điện (A), công suất tác dụng (MW) với độ lệch chuẩn luôn duy trì ở mức dưới 0,5% so với giá trị đo thực tế tại hiện trường.

So sánh với các nghiên cứu và dự án triển khai tại Tổng công ty Điện lực Miền Trung tại các trạm 110 kV Tam Quan, Phước Sơn và Nhơn Hội, kết quả tại Sơn La hoàn toàn tương đồng về độ ổn định truyền dẫn. Giải pháp này chứng minh tính khả thi cao khi ứng dụng cho các trạm biến áp trung gian cấp điện áp 35/22/10 kV mà không cần đầu tư các hệ thống máy tính Gateway đắt tiền.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 khuyến nghị then chốt được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối:

  • Nâng cấp hạ tầng truyền thông cáp quang: Công ty Điện lực Sơn La cần đầu tư xây dựng các tuyến cáp quang kép dự phòng độc lập, đảm bảo băng thông tối thiểu 2 Mbps cho 100% các trạm trung gian và thiết bị đóng cắt thông minh trước năm 2023.
  • Chuẩn hóa danh mục địa chỉ dữ liệu SCADA: Phòng Điều độ phối hợp với Đội SCADA ban hành quy chuẩn thống nhất về bảng địa chỉ IOA và cấu trúc ASDU theo Quyết định 55/QĐ-ĐTĐL, giúp rút ngắn thời gian tích hợp các trạm mới về trung tâm điều khiển xuống dưới 3 ngày làm việc.
  • Tăng cường các biện pháp an ninh mạng công nghiệp: Bộ phận Công nghệ thông tin thiết lập hệ thống tường lửa chuyên dụng theo chuẩn NERC CIP, kiểm soát lưu lượng tại các cổng Switch Layer 2 và duy trì độ sẵn sàng của cụm máy chủ Dell PowerEdge R730 ở mức trên 99,95% liên tục 24/7.
  • Đào tạo nâng cao năng lực đội ngũ kỹ thuật: Ban Giám đốc Công ty phê duyệt kế hoạch tổ chức 04 khóa đào tạo chuyên sâu về phần mềm Spectrum Power 5 và kỹ năng cấu hình tủ ADVC3 qua WSOS cho toàn bộ điều độ viên và kỹ sư viễn thông trong vòng 6 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng cao cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư SCADA và tự động hóa hệ thống điện: Nắm vững quy trình cấu hình địa chỉ IOA, chuyển đổi tín hiệu nhị phân, tín hiệu đo lường và phương pháp kiểm thử truyền thông bằng phần mềm IEC-Test trên các thiết bị điều khiển hiện trường.
  • Cán bộ quản lý điều độ và vận hành tại các Công ty Điện lực: Tham khảo mô hình chuyển đổi trạm biến áp sang chế độ không người trực, quy trình phối hợp giữa điều độ viên trung tâm và đội thao tác lưu động theo Thông tư 40/2014/TT-BCT.
  • Học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Sử dụng tài liệu như một cẩm nang nghiên cứu chuyên sâu về kiến trúc giao thức IEC 60870-5-104, cấu trúc phần cứng máy chủ dự phòng Hot/Standby và các giải pháp điều khiển phân tán.
  • Chuyên gia tư vấn thiết kế và tích hợp hệ thống điện thông minh: Vận dụng các giải pháp phần cứng tủ ADVC3, bộ chuyển đổi mạng công nghiệp và thiết kế nguồn điện ATS, UPS dự phòng để xây dựng dự án tự động hóa lưới điện tối ưu về chi phí đầu tư.

Câu hỏi thường gặp

  • Giao thức IEC 60870-5-104 có ưu điểm gì vượt trội so với chuẩn IEC 60870-5-101? Giao thức IEC 60870-5-104 hoạt động trên nền tảng mạng TCP/IP với băng thông từ 128 kbps đến 2 Mbps, vượt trội hơn tốc độ 9,6 kbps của IEC 101. Chuẩn này hỗ trợ nhãn thời gian 32 bit chính xác, cho phép nhiều trạm dùng chung một đường truyền và tích hợp đa dịch vụ như camera và SCADA trên cùng hạ tầng cáp quang.

  • Tiêu chuẩn pháp lý nào quy định việc áp dụng giao thức IEC 60870-5-104 tại Việt Nam? Việc áp dụng giao thức được quy định tại Điều 15 Quyết định 55/QĐ-ĐTĐL của Cục Điều tiết Điện lực và Thông tư 40/2014/TT-BCT của Bộ Công Thương. Các văn bản này quy định bắt buộc các trạm điện và trung tâm điều khiển xây dựng mới phải sử dụng chuẩn IEC 60870-5-104 để kết nối về hệ thống SCADA.

  • Cấu hình máy chủ SCADA tại Trung tâm điều khiển xa Sơn La được thiết kế như thế nào? Trung tâm trang bị hệ thống máy chủ Dell PowerEdge R730 gồm 02 máy chủ SCADA và 02 máy chủ cơ sở dữ liệu PSOS chạy cơ chế dự phòng nóng Hot/Standby. Cấu hình này đáp ứng quản trị trên 50.000 điểm dữ liệu, đảm bảo tính sẵn sàng của hệ thống đạt tối thiểu 99,95%.

  • Tủ điều khiển tại trạm trung gian Vân Hồ sử dụng phần mềm nào để cấu hình truyền thông? Trạm Vân Hồ sử dụng tủ điều khiển ADVC3 Controller, được cấu hình trực tiếp thông qua phần mềm chuyên dụng WSOS phiên bản 5. Kỹ sư vận hành sử dụng WSOS để kích hoạt giao thức IEC 60870-5-104, thiết lập bảng địa chỉ IOA và cấu hình các nhóm bảo vệ rơ le.

  • Hệ thống SCADA thu thập những nhóm tín hiệu chính nào từ trạm biến áp? Hệ thống thu thập 4 nhóm dữ liệu cơ bản: tín hiệu cảnh báo 1 bit (SDI), tín hiệu trạng thái dao cách ly và máy cắt 2 bit (DDI), thông số đo lường công suất, dòng điện, điện áp (AI) và các tín hiệu điều khiển đóng cắt từ xa (RC).

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán ghép nối SCADA từ trạm trung gian Vân Hồ về Trung tâm điều khiển xa Sơn La theo đúng chuẩn quốc tế IEC 60870-5-104.
  • Đề tài chứng minh tính ưu việt của việc ứng dụng mạng IP trong tự động hóa trạm điện, giúp cắt giảm hơn 70% khối lượng cáp nối nhị thứ và loại bỏ hoàn toàn các rơ le trung gian phức tạp.
  • Kết quả thử nghiệm khẳng định hệ thống đạt độ sẵn sàng trên 99,9%, cho phép thao tác đóng cắt và chuyển đổi nhóm bảo vệ từ xa trong thời gian dưới 2 giây.
  • Mô hình nghiên cứu xác lập cơ sở kỹ thuật vững chắc để Công ty Điện lực Sơn La mở rộng tự động hóa cho 100% các trạm biến áp trung gian trong giai đoạn 3 đến 5 năm tới.
  • Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện phân phối cần nhanh chóng tham khảo và áp dụng giải pháp kỹ thuật này nhằm đẩy nhanh lộ trình số hóa và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.