Giao thức IEC 104 - góc nhìn từ thực tiễn ứng dụng

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:

• Tín hiệu trạng thái 2 bit (double point information);
• Lệnh điều khiển 2 bit (double command);
• Mô hình điều khiển “select before operate”;
• Dữ liệu kèm theo nhãn thời gian (timestamp);
• Hỗ trợ lệnh đồng bộ thời gian thiết bị;
• Toàn vẹn dữ liệu khi mất kết nối;
• Thu thập dữ liệu theo nguyên lý data-changed.

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:

• Trạng thái bình thường: mở 01, đóng 10.
• Trạng thái không xác định: Trạng thái không thể xác định được, có thể do sự cố tín hiệu, thiết bị gặp sự cố hoặc không hoạt động: 00 hoặc 11.

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:

• Lệnh mở: 01; lệnh đóng: 10.
• Lệnh không xác định: 11, 00. Khi SCADA đưa ra các giá trị 11 hoặc 00 thì thiết bị sẽ không đáp ứng.

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:

• Chọn (select): Gửi một lệnh chọn đóng/mở để xác nhận rằng lệnh điều khiển sẽ được thực hiện. Bước này giúp hệ thống nhận biết và kiểm tra trạng thái của thiết bị trước khi thực hiện bất kỳ hành động nào.
• Thực thi (operate): Sau khi xác nhận, lệnh điều khiển đóng/mở thực sự sẽ được gửi để thực hiện hành động đã chọn.

Tác dụng của mô hình điều khiển này là:

• An toàn hơn: Giảm nguy cơ gửi lệnh điều khiển không chính xác hoặc không mong muốn.
• Xác thực và kiểm tra: Cho phép người vận hành kiểm tra trạng thái và xác nhận trước khi thực hiện hành động, giúp nâng cao tính chính xác trong quá trình điều khiển.
• Giảm lỗi: Cung cấp một cơ chế để phát hiện lỗi trong quá trình gửi lệnh, do đó hạn chế khả năng xảy ra các sự cố do lệnh điều khiển không đúng.

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:

• Đồng bộ hóa dữ liệu giữa các hệ thống: Nhãn thời gian giúp đảm bảo rằng các dữ liệu được gửi từ thiết bị tới trung tâm điều khiển SCADA đều được gắn với thời gian chính xác khi sự kiện hoặc phép đo diễn ra. Điều này rất quan trọng khi nhiều thiết bị khác nhau trong hệ thống có thể truyền dữ liệu về một trung tâm cùng lúc, cần đồng bộ theo đúng thứ tự xảy ra.
• Theo dõi và phân tích sự kiện: Trong các hệ thống điện, khi có sự cố (như mất điện hoặc ngắn mạch, cháy nổ), nhãn thời gian giúp xác định chính xác thời điểm sự cố xảy ra. Điều này rất hữu ích cho việc phân tích nguyên nhân sự cố (hình 2) và tìm giải pháp khắc phục, đảm bảo hệ thống được khôi phục nhanh chóng.

Hình 2. Timestamp dùng để phân tích sự cố trong hệ thống điện

• Giám sát thời gian thực: Nhãn thời gian hỗ trợ trong việc giám sát các thông số và trạng thái của thiết bị theo thời gian thực. Các dữ liệu như điện áp, dòng điện, trạng thái máy cắt hoặc dao cách ly có thể được gắn nhãn thời gian chính xác để quản lý vận hành và theo dõi trạng thái hệ thống ngay khi nó xảy ra.
• Xử lý và ghi lại dữ liệu trong trường hợp mất kết nối: Khi kết nối giữa thiết bị và trung tâm SCADA bị gián đoạn, thiết bị có thể tiếp tục thu thập dữ liệu và lưu trữ tạm thời cùng với nhãn thời gian. Khi kết nối được khôi phục, dữ liệu kèm nhãn thời gian này sẽ được gửi đến trung tâm, đảm bảo không có thông tin nào bị mất và hệ thống có thể tái hiện chính xác diễn biến thời gian của các sự kiện.
• Phân loại và ưu tiên sự kiện: Nhãn thời gian giúp phân biệt được mức độ quan trọng của các sự kiện theo thứ tự xảy ra. Ví dụ, sự kiện xảy ra sớm hơn có thể cần được xử lý trước. Điều này đặc biệt hữu ích trong các tình huống khẩn cấp khi cần nhanh chóng xử lý thông tin để ra quyết định kịp thời.
• Phân tích lịch sử vận hành: Nhãn thời gian giúp ghi lại toàn bộ quá trình hoạt động và trạng thái của hệ thống điện trong một khoảng thời gian cụ thể, hỗ trợ cho việc phân tích dữ liệu lịch sử. Điều này rất quan trọng trong bảo trì dự phòng, xác định xu hướng hoạt động và phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường.

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:

• Đảm bảo tính liên tục và toàn vẹn của dữ liệu: Trong thời gian mất kết nối, thiết bị tiếp tục ghi nhận và lưu trữ dữ liệu như trạng thái thiết bị, các phép đo, sự kiện, và cảnh báo. Khi kết nối được khôi phục, các dữ liệu này sẽ được truyền lại cho SCADA, đảm bảo toàn bộ thông tin về trạng thái và sự kiện của hệ thống trong quá trình gián đoạn vẫn được ghi nhận đầy đủ. Điều này đảm bảo rằng hệ thống SCADA có đầy đủ dữ liệu liên tục để theo dõi và phân tích quá trình vận hành, mà không bị "lỗ hổng" dữ liệu do mất kết nối (hình 3).

  Hình 3. Không bị "lỗ hổng" dữ liệu do mất kết nối truyền thông

• Hỗ trợ phân tích sự cố: Khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện (ví dụ, ngắn mạch hoặc quá tải), việc có dữ liệu đầy đủ trong khoảng thời gian xảy ra sự cố là rất quan trọng để phân tích nguyên nhân và khắc phục.

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.

• Tăng độ tin cậy của hệ thống giám sát và điều khiển: Cơ chế bảo toàn dữ liệu giúp hệ thống giám sát và điều khiển hoạt động một cách đáng tin cậy hơn, đặc biệt trong các hệ thống điện quan trọng yêu cầu tính liên tục và chính xác của dữ liệu.

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.

• Tối ưu hóa cho các hệ thống phân tán: Trong các hệ thống SCADA phân tán với nhiều thiết bị đầu cuối trải rộng trên các khu vực địa lý, việc mất kết nối có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân như sự cố mạng, bảo trì hoặc các vấn đề liên quan đến thiết bị. Cơ chế bảo toàn dữ liệu giúp đảm bảo rằng mọi thông tin quan trọng từ các trạm đầu cuối đều được gửi lại cho SCADA khi kết nối được khôi phục, tránh mất mát dữ liệu do sự cố truyền thông.
• Giảm thiểu tác động của sự cố truyền thông: Trong các hệ thống truyền thông công nghiệp, sự cố gián đoạn kết nối không phải là điều hiếm gặp. Việc bảo toàn dữ liệu trong thời gian mất kết nối giúp hệ thống vận hành ổn định hơn mà không bị ảnh hưởng bởi những sự cố tạm thời về mạng.

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.

• Cải thiện khả năng phục hồi và khôi phục sau sự cố: Sau khi sự cố kết nối được khôi phục, hệ thống SCADA có thể nhanh chóng đồng bộ lại với dữ liệu từ thiết bị đầu cuối mà không cần phải thực hiện các quy trình phức tạp. Toàn bộ dữ liệu bị mất sẽ được "phục hồi" và tích hợp vào hệ thống, giúp SCADA hoạt động bình thường trở lại.

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.

• Hỗ trợ báo cáo và giám sát lịch sử chính xác: Với cơ chế bảo toàn dữ liệu, hệ thống SCADA sẽ có một bản ghi đầy đủ và chính xác của mọi sự kiện và trạng thái trong suốt thời gian vận hành, kể cả khi có gián đoạn kết nối.

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:

• Giảm tải mạng lưới truyền thông: Với cơ chế unsolicited, thiết bị chỉ gửi dữ liệu khi có thay đổi hoặc sự kiện quan trọng, thay vì phải gửi dữ liệu định kỳ hoặc đáp ứng yêu cầu từ SCADA liên tục. Điều này giúp giảm tải băng thông mạng truyền thông và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên. So với cơ chế polling, unsolicited chỉ kích hoạt khi có thay đổi, do đó tránh được việc truyền dữ liệu không cần thiết.
• Cập nhật thông tin nhanh chóng và kịp thời: Thông tin được truyền đi ngay lập tức khi có sự kiện hoặc thay đổi trong hệ thống. Điều này đảm bảo rằng trung tâm SCADA luôn nhận được thông tin nhanh nhất, giúp giám sát và ra quyết định kịp thời. Trong các trường hợp sự cố hệ thống, ví dụ như máy cắt ngắt kết nối hoặc có sự cố về điện áp, việc cập nhật tức thời là cực kỳ quan trọng để phản ứng nhanh và hạn chế thiệt hại.
• Tăng cường hiệu quả giám sát hệ thống: Cơ chế unsolicited giúp SCADA tập trung vào các thông tin quan trọng, thay vì phải xử lý dữ liệu liên tục từ tất cả các thiết bị. Điều này giúp hệ thống giám sát và điều khiển tập trung hơn vào những sự kiện hoặc thay đổi có ý nghĩa, giảm thiểu xử lý dữ liệu không quan trọng. Ví dụ, nếu một máy cắt chuyển từ trạng thái đóng sang mở do sự cố, SCADA sẽ nhận được thông tin ngay lập tức thay vì phải đợi đến chu kỳ yêu cầu tiếp theo.
• Tăng cường độ tin cậy và an toàn của hệ thống: Trong các hệ thống điện, việc phản hồi nhanh chóng là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và độ tin cậy. Cơ chế unsolicited giúp giảm thiểu độ trễ trong việc truyền tải thông tin quan trọng, từ đó tăng cường khả năng phản ứng của hệ thống đối với các sự cố hoặc tình huống khẩn cấp. Điều này đặc biệt hữu ích trong các hệ thống quan trọng như bảo vệ đường dây, hệ thống tự động hóa lưới điện, nơi mà thời gian phản ứng nhanh là yếu tố quyết định.
• Tiết kiệm tài nguyên xử lý và quản lý dữ liệu: Với cơ chế polling SCADA phải liên tục yêu cầu và xử lý một lượng lớn dữ liệu, dù có thay đổi hay không. Điều này có thể gây lãng phí tài nguyên xử lý và lưu trữ. Với cơ chế unsolicited, SCADA chỉ nhận dữ liệu khi có thay đổi, giúp giảm bớt khối lượng dữ liệu không cần thiết và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống SCADA.

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
Đại học Bách khoa TP.HCM