Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng |
Trong những năm gần đây, giao thức IEC60870-5-104 (IEC 104) đã trở nên phổ biến trên toàn quốc, với mục tiêu kết nối các trạm biến áp (110kV/220kV/500kV) và các nhà máy điện trên khắp cả nước với hệ thống SCADA tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) - nay là Công ty TNHH MTV Vận hành hệ thống điện và thị trường điện Quốc gia (NSMO), các trung tâm điều độ khu vực miền Bắc (A1), miền Nam (A2), miền Trung (A3) và các trung tâm điều độ điện lực. Trước khi chuyển sang sử dụng IEC 104, các trung tâm điều độ ở Việt Nam thường áp dụng giao thức IEC60870-5-101 (IEC 101). IEC 104 được coi là một bản nâng cấp đáng kể so với IEC 101, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu hiện đại trong quản lý và điều khiển hệ thống điện.
Phân tích các đặc tính kỹ thuật nổi bật của IEC 104
Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của giao thức IEC 104 đã được đề cập rộng rãi trong nhiều tài liệu và bài viết. Tuy nhiên, bài viết này tập trung phân tích các đặc tính kỹ thuật đặc trưng của giao thức. Được thiết kế để trao đổi dữ liệu SCADA với các trạm (RTU), giao thức IEC 104 có các đặc tính nổi bật sau:
Dưới đây, bài viết sẽ phân tích chi tiết các đặc tính kỹ thuật này.
Tín hiệu trạng thái 2 bit
Trong tự động hóa công nghiệp, trạng thái của thiết bị thông thường được biểu diễn dưới dạng nhị phân (binary): true/false. Giao thức IEC 104 hỗ trợ tín hiệu trạng thái 2 bit (double point information) để cung cấp thông tin chi tiết về trạng thái của thiết bị trong hệ thống điện. Cụ thể, tín hiệu 2 bit này cho phép truyền tải các trạng thái như:
Việc sử dụng tín hiệu trạng thái 2 bit giúp hệ thống điều khiển có thể phản ứng linh hoạt hơn với các tình huống khác nhau, cải thiện khả năng giám sát và quản lý sự cố, đồng thời tăng tính chính xác trong việc thu thập dữ liệu.
Lệnh điều khiển 2 bit
Lệnh điều khiển 2 bit (double command) để cung cấp khả năng điều khiển linh hoạt và an toàn hơn cho các thiết bị trong hệ thống điện. Cụ thể, SCADA có thể truyền tải các lệnh điều khiển như:
Tác dụng của lệnh điều khiển 2 bit là tăng cường tính an toàn, giảm thiểu rủi ro khi gửi lệnh điều khiển bằng cách cung cấp nhiều trạng thái cho người vận hành.
Trong tự động hóa công nghiệp lệnh điều khiển chạy/dừng thiết bị thông thường được biểu diễn dưới dạng nhị phân: true/false.
Mô hình điều khiển “select before operate”
Mô hình điều khiển “select before operate” trong giao thức IEC 104 có tác dụng rất quan trọng trong việc nâng cao tính an toàn và độ tin cậy của hệ thống điều khiển. Cụ thể, mô hình này yêu cầu một quy trình hai bước trước khi thực hiện lệnh điều khiển. Các bước này bao gồm:
Tác dụng của mô hình điều khiển này là:
Mô hình “select before operate” góp phần vào việc tạo ra các hệ thống điều khiển an toàn và hiệu quả hơn, phù hợp với yêu cầu trong hệ thống điện.
Trong tự động hóa công nghiệp có thể thực hiện mô hình điều khiển “select before operate” bằng cách lập trình trong PLC (hình 1).
Hình 1. Mô hình điều khiển “select before operate” thực hiện trong tự động hóa công nghiệp |
Dữ liệu kèm theo nhãn thời gian
Trong giao thức IEC 104, dữ liệu kèm theo nhãn thời gian (timestamp) có vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác và đồng bộ của thông tin giữa các hệ thống điều khiển và các thiết bị trong hệ thống điện. Nhãn thời gian cho phép ghi lại thời điểm chính xác khi sự kiện hoặc dữ liệu đo lường xảy ra, từ đó hỗ trợ việc quản lý, giám sát và phân tích dữ liệu trong thời gian thực.
Trong khi đó, nhiều giao thức truyền thống như Modbus thường chỉ truyền dữ liệu đơn giản mà không có hỗ trợ nhãn thời gian đi kèm, khiến việc giám sát và phân tích hệ thống kém chính xác hơn
Dữ liệu kèm theo nhãn thời gian trong giao thức IEC 104 có nhiều tác dụng quan trọng, bao gồm:
Hình 2. Timestamp dùng để phân tích sự cố trong hệ thống điện |
Nhờ vào những lợi ích này, việc sử dụng nhãn thời gian trong giao thức IEC 104 góp phần nâng cao tính minh bạch, độ tin cậy và hiệu quả của các hệ thống điều khiển và giám sát.
Hỗ trợ lệnh đồng bộ thời gian thiết bị
Giao thức IEC 104 hỗ trợ lệnh đồng bộ thời gian cho các thiết bị, được tích hợp sẵn và truyền trực tiếp từ SCADA xuống. Điều này khác biệt so với các giao thức công nghiệp truyền thống khác, vốn không hỗ trợ lệnh đồng bộ thời gian. Việc đồng bộ hóa thời gian chính xác là yếu tố quan trọng trong các hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống điện, đảm bảo rằng mọi thiết bị trong mạng lưới đều chia sẻ cùng một nguồn thời gian tham chiếu.
Toàn vẹn dữ liệu khi mất kết nối
Cơ chế bảo toàn dữ liệu khi mất kết nối trong giao thức IEC 104 có tác dụng quan trọng trong việc đảm bảo tính liên tục và toàn vẹn của dữ liệu trong quá trình vận hành hệ thống SCADA. Khi kết nối giữa thiết bị đầu cuối (IEC 104 server) và trung tâm điều khiển SCADA bị gián đoạn, thiết bị có khả năng lưu trữ tạm thời các dữ liệu phát sinh trong khoảng thời gian mất kết nối. Sau khi kết nối được khôi phục, toàn bộ dữ liệu này sẽ được gửi lại cho SCADA để đảm bảo không có dữ liệu bị mất. Cơ chế này có những tác dụng sau:
Hình 3. Không bị "lỗ hổng" dữ liệu do mất kết nối truyền thông |
Nếu mất kết nối mà không có cơ chế bảo toàn dữ liệu, trung tâm điều khiển sẽ không có đủ thông tin để phân tích sự cố, dẫn đến khó khăn trong việc tìm ra nguyên nhân và xử lý vấn đề. Cơ chế bảo toàn dữ liệu giúp đảm bảo rằng toàn bộ dữ liệu về sự cố sẽ được gửi lại khi kết nối khôi phục, hỗ trợ quá trình điều tra nguyên nhân.
Việc khôi phục đầy đủ dữ liệu sau khi mất kết nối giúp đảm bảo rằng trung tâm SCADA vẫn có được bức tranh toàn diện về trạng thái và hoạt động của hệ thống mà không bị gián đoạn.
Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống có yêu cầu về độ tin cậy cao, như trong ngành điện lực, nơi mà việc mất dữ liệu có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến vận hành và ra quyết định.
Điều này cải thiện khả năng phục hồi của hệ thống và giúp giảm thiểu thời gian chết hoặc thời gian thiếu thông tin cần thiết.
Điều này hỗ trợ việc tạo các báo cáo lịch sử và phân tích dữ liệu dài hạn, giúp quản lý và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống dựa trên thông tin đầy đủ.
Thu thập dữ liệu theo nguyên lý data-changed
Tình trạng "mù" trong cơ chế polling (yêu cầu thu thập dữ liệu theo thời gian định kỳ) của các giao thức công nghiệp truyền thống xảy ra khi trạng thái của một thiết bị thay đổi trong khi SCADA đang yêu cầu dữ liệu từ các RTU khác (hình 4). Do đó có thể không phản hồi nhanh chóng với các thay đổi quan trọng trong hệ thống. Để giảm thiểu tình trạng "mù", tần suất poll cần được tăng lên hoặc sử dụng các giao thức IEC 104 hỗ trợ cơ chế data-changed hay unsolicited, cho phép RTU chủ động gửi thông tin khi có thay đổi, mà không cần phải chờ SCADA poll.
Hình 4. Tình trạng “mù” trong cơ chế polling của các giao thức công nghiệp truyền thống |
Trong giao thức IEC 104, việc thu thập dữ liệu theo nguyên lý data-changed hay còn gọi là cơ chế unsolicited là một tính năng quan trọng giúp tối ưu hóa việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị đầu cuối (IEC 104 server) và hệ thống SCADA (IEC 104 client). Cơ chế này cho phép các thiết bị chủ động gửi thông tin tới trung tâm điều khiển khi có thay đổi, thay vì chờ yêu cầu thu thập dữ liệu từ SCADA. Điều này tạo ra một phương thức giám sát và trao đổi dữ liệu chủ động, mang lại nhiều lợi ích trong vận hành và quản lý hệ thống điện.
Bình thường, SCADA có thể yêu cầu thiết bị gửi dữ liệu định kỳ hoặc thông qua các lệnh lấy dữ liệu cụ thể. Tuy nhiên, với cơ chế unsolicited, nếu có sự kiện hoặc sự thay đổi quan trọng xảy ra (như thay đổi trạng thái của máy cắt, dao cách ly, hoặc thông số đo lường), thiết bị đầu cuối sẽ ngay lập tức gửi thông tin cập nhật đến SCADA mà không cần đợi lệnh yêu cầu từ SCADA.
Tác dụng của cơ chế data-changed:
Giải pháp kết nối nhà máy điện với các trung tâm điều độ
Trong hình 5, tác giả đề xuất một giải pháp đơn giản để kết nối hệ điều khiển và SCADA của nhà máy điện (ví dụ như nhà máy thủy điện) với các trung tâm điều độ hệ thống điện. Thành phần chính của hệ thống bao gồm cụm PLC S7-1200 và module truyền thông IEC 104. Với cấu hình này, cụm PLC có thể được xem như một gateway (bảng 1).
Hình 5. Cấu trúc hệ thống được đề xuất nhằm kết nối hệ điều khiển và SCADA của nhà máy điện với các trung tâm điều độ |
Bảng 1. Chi tiết về gateway IEC 104 được đề xuất |
Bộ điều khiển S7-1200 là một thiết bị phổ biến trong thị trường tự động hóa công nghiệp trong nước. Thiết bị này thực hiện chức năng thu thập dữ liệu từ hệ thống điều khiển và SCADA của nhà máy điện thông qua các giao thức như: S7, Modbus TCP, OPC UA và các giao thức TCP/IP khác. Ngoài ra, cần tích hợp thêm module truyền thông IEC 104, đóng vai trò như một server IEC 104, để ánh xạ dữ liệu từ PLC qua module này, cho phép trao đổi thông tin với các hệ thống SCADA điều độ. Module này có khả năng truyền tải khoảng 500 biến (datapoint) cùng lúc tới khoảng 128 IEC 104 client/SCADA theo cơ chế data-changed (minh họa trong hình 6). Module cũng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu từ EVN trong trao đổi dữ liệu sử dụng giao thức IEC 104 (minh họa trong hình 7).
Hình 6. Minh họa về khả năng truyền tải của module cùng lúc tới nhiều IEC 104 client |
Hình 7. Minh họa về đáp ứng đầy đủ các yêu cầu từ EVN trong trao đổi dữ liệu sử dụng IEC 104 |
Kết luận
IEC 104 là một giao thức khá linh hoạt và hiệu quả, được thiết kế đặc biệt cho các hệ thống giám sát và điều khiển từ xa, như SCADA trong ngành điện. So với các giao thức truyền thống, IEC 104 mang lại nhiều ưu điểm vượt trội:
• Dữ liệu kèm nhãn thời gian: Mỗi dữ liệu được gắn kèm với nhãn thời gian, cho phép xác định chính xác thời điểm xảy ra các sự kiện. Điều này giúp hệ thống SCADA theo dõi và phân tích quá trình vận hành cũng như các sự cố một cách đầy đủ và rõ ràng.
• Bảo toàn dữ liệu khi mất kết nối: Cho phép lưu trữ và truyền lại dữ liệu sau khi kết nối được khôi phục, đảm bảo không mất mát thông tin và duy trì tính liên tục, toàn vẹn của dữ liệu.
• Cơ chế thu thập dữ liệu unsolicited: Thiết bị có thể chủ động gửi dữ liệu khi có thay đổi, giúp hệ thống SCADA phản hồi nhanh chóng hơn và giảm tải băng thông mạng.
• Tín hiệu trạng thái và lệnh điều khiển 2 bit: Cung cấp độ chính xác cao hơn trong việc giám sát và điều khiển thiết bị, cho phép theo dõi trạng thái chi tiết (như đóng, mở, trung gian, lỗi) và điều khiển thiết bị một cách an toàn, tránh nhầm lẫn.
• Mô hình điều khiển "select before operate": Đảm bảo an toàn trong vận hành bằng cách yêu cầu người điều khiển chọn thiết bị trước khi thực hiện lệnh điều khiển. Điều này giảm nguy cơ thao tác sai lệnh và tăng cường độ tin cậy cho hệ thống.
Với những đặc tính nổi bật này, IEC 104 là giải pháp trước mắt để đảm bảo sự ổn định, an toàn và chính xác trong các hệ thống SCADA, đáp ứng tốt các yêu cầu phức tạp của hệ thống điện, từ giám sát đến điều khiển.
Để kết nối nhà máy điện với các trung tâm điều độ hệ thống điện, có thể sử dụng bộ điều khiển PLC S7-1200 phổ biến, kết hợp với module truyền thông CP1243-1. Module này có khả năng truyền tải đồng thời nhiều datapoint tới nhiều trung tâm điều độ, đồng thời đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của EVN về trao đổi dữ liệu sử dụng tiêu giao thức IEC 104.
Trương Đình Châu
Trường Đại học Bách khoa TP.HCM
chau.truong@hcmut.edu.vn
TS. Trương Đình Châu |
TS.Trương Đình Châu hiện đang công tác tại trường Đại học Bách khoa TP.HCM, với hơn 25 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực hệ thống điều khiển công nghiệp và SCADA. Ông là chuyên gia hàng đầu về tự động hóa và điều khiển tại Việt Nam, tham gia tích cực vào nghiên cứu, phát triển các giải pháp tiên tiến. Ngoài ra, ông còn tư vấn, thiết kế và lập trình cho nhiều dự án trọng điểm trong nước, góp phần quan trọng vào sự phát triển của ngành công nghiệp tự động hóa. |