Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống SCADA tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Thành phố Hồ Chí Minh được đầu tư từ năm 1998 với cấu hình máy tính chủ Alpha Server và phần mềm SPIDER 7.0 của hãng ABB. Trải qua hơn 17 năm vận hành liên tục với quy mô xử lý ban đầu khoảng 30.000 điểm dữ liệu, hệ thống đã bộc lộ sự thiếu ổn định, thường xuyên quá tải trước tốc độ phát triển nhanh chóng của lưới điện đô thị. Nhằm hiện thực hóa kế hoạch hiện đại hóa lưới điện giai đoạn 2015 - 2020 của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải xây dựng Trung tâm Điều khiển đáp ứng mô hình thao tác xa cho các trạm biến áp không người trực.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của đề tài là khắc phục tình trạng phân mảnh công nghệ và sự phụ thuộc hoàn toàn vào các nhà thầu cung cấp giải pháp đóng gói nước ngoài. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, áp dụng tiêu chuẩn quốc tế IEEE Std C37.1-2007 để tự thiết kế cấu hình phần cứng, tích hợp phần mềm Survalent SCADA, thiết lập cơ sở dữ liệu thời gian thực và chuyển đổi giao thức truyền thông cho 55 trạm biến áp trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh. Phạm vi thời gian nghiên cứu thực hiện tập trung từ tháng 8/2015 đến tháng 1/2016.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình được chứng minh qua việc duy trì hệ số sẵn sàng vận hành của hệ thống đạt trên 99,9%, giảm thời gian trễ thu thập dữ liệu và tiết kiệm hơn 50% chi phí so với phương án thuê ngoài trọn gói. Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng vững chắc giúp đội ngũ kỹ sư Việt Nam làm chủ công nghệ điều khiển trung tâm trong quá trình chuyển đổi số ngành điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng toàn diện tiêu chuẩn IEEE Std C37.1-2007 (Bộ tiêu chuẩn quốc tế về định nghĩa, đặc tính kỹ thuật và hiệu năng cho hệ thống SCADA và tự động hóa trạm biến áp). Hệ thống được thiết kế dựa trên mô hình kiến trúc phân tán kết hợp cấu hình dự phòng nóng kép, đảm bảo tính sẵn sàng tối đa khi có sự cố phần cứng hoặc phần mềm.

Các khái niệm kỹ thuật nền tảng được triển khai bao gồm:

  1. Chu trình điều khiển chọn trước khi thực thi nhằm xác thực an toàn đường truyền qua 3 bước nghiêm ngặt trước khi xuất lệnh đóng cắt máy cắt.
  2. Dữ liệu ghi nhận chuỗi sự kiện với độ phân giải thời gian chính xác tới 1 phần nghìn giây (1ms), đồng bộ qua giao thức thời gian chuẩn GPS.
  3. Tín hiệu chỉ thị kép 2-bit dùng để giám sát trạng thái chuyển động của thiết bị đóng cắt cao thế, phân biệt rõ ràng giữa trạng thái ổn định và trạng thái bất thường.
  4. Giao thức truyền thông liên trung tâm điều khiển IEC 60870-6 hỗ trợ trao đổi dữ liệu vận hành thời gian thực giữa các cấp điều độ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật thu thập từ 55 trạm biến áp 110kV và 220kV hiện hữu thuộc Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh, cùng hệ thống máy chủ SCADA SPIDER của ABB. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 55 trạm biến áp này cùng hơn 30.000 điểm đo analog và tín hiệu trạng thái số trên toàn hệ thống điện khu vực. Phương pháp chọn mẫu chỉ định toàn phần được áp dụng vì tính chất đồng bộ và an toàn tuyệt đối của lưới điện phân phối trung tâm kinh tế trọng điểm.

Quy trình phân tích và thực nghiệm được lựa chọn theo phương pháp triển khai 3 giai đoạn:

  • Giai đoạn 1: Thử nghiệm song song hệ thống SCADA mới tại 01 trạm biến áp mẫu để đối soát sai lệch tín hiệu và kiểm tra tính tương thích giao thức.
  • Giai đoạn 2: Nhân rộng mô hình kiểm chứng cho nhóm các trạm có phụ tải thấp và các máy cắt dự phòng.
  • Giai đoạn 3: Triển khai chuyển đổi đồng loạt toàn bộ hệ thống trong khung thời gian 5 tháng từ tháng 8/2015 đến tháng 1/2016. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm hạn chế tối đa rủi ro gián đoạn cung cấp điện trong quá trình chuyển đổi dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình triển khai thực tế trên hệ thống lưới điện đã ghi nhận 4 kết quả nổi bật:

  • Chuyển đổi thành công 100% giao thức truyền thông độc quyền RP570 của ABB sang các chuẩn mở quốc tế IEC 60870-5-101 (cho kênh truyền nối tiếp) và IEC 60870-5-104 (qua mạng IP) trên toàn bộ 55 trạm biến áp.
  • Nâng cao dung lượng xử lý cơ sở dữ liệu thời gian thực từ 30.000 điểm lên hơn 50.000 điểm dữ liệu, tương đương mức tăng trưởng 66,7% dung lượng giám sát mà không làm suy giảm hiệu năng hệ thống.
  • Tối ưu hóa thời gian thực thi lệnh điều khiển từ xa qua cơ chế chọn trước khi thực thi với độ trễ ghi nhận dưới 1,5 giây, đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe về thời gian thực của IEEE C37.1.
  • Mở rộng số lượng trạm giao diện người máy HMI từ 7 máy bàn thao tác ban đầu lên 12 bàn điều khiển phân tán, kết nối chia sẻ dữ liệu giám sát trực tiếp cho Công ty Lưới điện Cao thế và các công ty điện lực khu vực.

Thảo luận kết quả

Thành công của việc chuyển đổi bắt nguồn từ việc tuân thủ đúng các nguyên tắc phân lớp kiến trúc theo IEEE C37.1-2007, kết hợp giải pháp chuyển đổi giao thức tại các thiết bị đầu cuối RTU và Gateway máy tính trạm. Khi phân tích so sánh với hệ thống cũ, nền tảng mới sử dụng giao thức chuẩn IEC 60870-5-104 truyền thông qua mạng cáp quang nội bộ đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nghẽn kênh truyền thường gặp ở giao thức cũ RP570 chạy trên đường truyền modem tốc độ thấp 1200 bps.

Các kết quả đo lường và hiệu năng phân mạng có thể được minh họa trực quan thông qua bảng phân bổ dải địa chỉ IP nội bộ và sơ đồ phân tầng mạng điều khiển. Dữ liệu phân tầng mạng thể hiện rõ 3 lớp độc lập: Lớp mạng máy chủ SCADA chính, Lớp mạng truyền thông trạm RTU với 16 luồng xử lý riêng biệt, và Lớp mạng phân phối giao diện HMI Console. Cấu trúc này cùng việc lắp đặt bổ sung hệ thống ngăn chặn xâm nhập IPS của Cisco đã ngăn chặn 100% nguy cơ tấn công mạng từ bên ngoài vào hệ thống điều khiển trọng yếu.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

  1. Chuẩn hóa hạ tầng truyền thông trạm biến áp: Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh cần tiếp tục thay thế 100% đường truyền thuê riêng cũ bằng mạng truyền dẫn cáp quang tốc độ cao kép cho toàn bộ các trạm biến áp 110kV và 220kV trong khung thời gian 12 tháng, nhằm duy trì độ khả dụng kênh truyền đạt trên 99,99%.
  2. Nâng cấp mô hình cơ sở dữ liệu theo chuẩn IEC 61850: Đơn vị quản lý kỹ thuật cần phối hợp với Trung tâm Điều độ thực hiện chuẩn hóa mô hình dữ liệu thiết bị điện tử thông minh IED cho 55 trạm biến áp trong lộ trình 2 năm 2016 - 2017, giảm thiểu 40% khối lượng đấu nối dây nhị thứ truyền thống.
  3. Thiết lập cơ chế bảo mật an ninh mạng SCADA nhiều lớp: Ban Công nghệ thông tin cần cấu hình hệ thống tường lửa chuyên dụng kết hợp thiết bị phòng ngừa xâm nhập trái phép Cisco IPS giữa mạng điều khiển SCADA và mạng văn phòng doanh nghiệp, đảm bảo ngăn chặn 100% các cuộc tấn công mạng và truy cập trái phép.
  4. Đào tạo và chuyển giao năng lực kỹ thuật nội bộ: Phòng Quản lý Kỹ thuật cần tổ chức các khóa huấn luyện chuyên sâu định kỳ 6 tháng một lần cho 100% kỹ sư điều độ và kỹ sư SCADA, tập trung vào kỹ năng cấu hình phần mềm Survalent, quản trị hệ cơ sở dữ liệu thời gian thực và xử lý sự cố thiết bị truyền thông trạm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư vận hành và điều độ viên tại các Trung tâm Điều độ: Cung cấp tài liệu hướng dẫn chuẩn hóa quy trình thao tác xa trạm không người trực, cấu hình cảnh báo và giám sát sơ đồ mạng điện thông qua 12 màn hình giao diện HMI phân tán.
  • Cán bộ kỹ thuật SCADA tại các Tổng công ty và Công ty Điện lực: Cung cấp giải pháp kỹ thuật mẫu về việc chuyển đổi giao thức từ các chuẩn cũ như RP570 sang IEC 60870-5-101/104 cho 55 trạm biến áp mà không làm gián đoạn vận hành lưới điện.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hóa: Tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp áp dụng thực tế tiêu chuẩn IEEE Std C37.1-2007 trong việc lập dự toán, thiết kế cấu hình phần cứng máy chủ và lựa chọn phần mềm SCADA tối ưu.
  • Giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện: Nguồn học liệu tham khảo chuyên sâu kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở lý thuyết chuẩn quốc tế và bài toán thực tế của hệ thống điện đô thị quy mô lớn tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Tiêu chuẩn IEEE C37.1 đóng vai trò gì trong thiết kế hệ thống SCADA trung tâm?
Tiêu chuẩn IEEE Std C37.1-2007 cung cấp khung tham chiếu hoàn chỉnh về định nghĩa, đặc tính kỹ thuật, hiệu năng và cấu trúc phần cứng - phần mềm của một hệ thống điều khiển trung tâm. Tiêu chuẩn giúp các kỹ sư thiết kế chuẩn hóa yêu cầu mua sắm, tối ưu hóa kiến trúc phân tán và đảm bảo độ sẵn sàng của hệ thống đạt trên 99,9%.

Cơ chế Select-Before-Operate bảo đảm an toàn cho trạm không người trực như thế nào?
Cơ chế này thực hiện quy trình bảo mật 3 bước nghiêm ngặt: gửi lệnh chọn thiết bị, nhận tín hiệu sẵn sàng từ thiết bị trạm, và phát lệnh thực thi đóng cắt. Quy trình này loại bỏ hoàn toàn các thao tác nhầm lẫn hoặc lỗi tín hiệu ngẫu nhiên trên đường truyền, bảo vệ an toàn tuyệt đối cho thiết bị điện cao thế.

Tại sao cần chuyển đổi từ giao thức RP570 sang chuẩn IEC 60870-5-104?
Giao thức RP570 là chuẩn truyền thông đóng độc quyền của hãng ABB với tốc độ thấp và khó mở rộng tích hợp. Chuyển đổi sang chuẩn quốc tế mở IEC 60870-5-104 chạy trên nền giao thức mạng IP giúp tăng tốc độ truyền tin, kết nối linh hoạt với thiết bị của nhiều nhà sản xuất và mở rộng dung lượng lên hơn 50.000 điểm đo.

Giải pháp nào được áp dụng để bảo mật cho hệ thống SCADA trung tâm?
Hệ thống áp dụng kiến trúc phân vùng an ninh mạng độc lập, tách biệt hoàn toàn mạng SCADA với mạng công ty. Bên cạnh đó, hệ thống trang bị thiết bị ngăn chặn xâm nhập trái phép Cisco IPS, kết hợp kiểm soát tài khoản truy cập phân quyền nghiêm ngặt theo vai trò người dùng và ghi nhật ký tự động 100% các phiên truy cập.

Đề tài có khả năng mở rộng như thế nào trong lộ trình lưới điện thông minh?
Hệ thống được thiết kế với kiến trúc mở, cho phép dễ dàng tích hợp các chức năng quản lý lưới phân phối nâng cao, kết nối các thiết bị đóng cắt tự động Recloser trên lưới trung thế và chia sẻ dữ liệu vận hành thời gian thực tới 21 công ty điện lực trực thuộc qua giao thức chuẩn quốc tế.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và làm chủ thành công tiêu chuẩn quốc tế IEEE Std C37.1-2007, áp dụng hiệu quả vào việc thiết kế và xây dựng hệ thống SCADA trung tâm phục vụ lưới điện Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Hoàn thành xuất sắc việc chuyển đổi giao thức truyền thông cho toàn bộ 55 trạm biến áp hiện hữu sang chuẩn IEC 60870-5-101/104, đáp ứng yêu cầu vận hành trạm không người trực.
  • Đóng góp giải pháp giúp doanh nghiệp tiết kiệm hơn 50% chi phí đầu tư, nâng cao dung lượng giám sát lên hơn 50.000 điểm dữ liệu và nâng cao năng lực tự chủ công nghệ của đội ngũ kỹ sư Việt Nam.
  • Đề ra lộ trình 4 bước hoàn thiện an ninh mạng, chuẩn hóa dữ liệu theo IEC 61850 và phát triển ứng dụng quản lý phân phối nâng cao giai đoạn 2016 - 2020.
  • Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện và kỹ sư tự động hóa có thể tham khảo áp dụng trực tiếp mô hình này để nâng cấp trung tâm điều khiển tại các công ty điện lực trên toàn quốc.