Thí nghiệm Hệ thống điều khiển và tự động hóa Trạm biến áp

IEC 61850 được ban hành dưới dạng một tiêu chuẩn quốc tế vào những năm đầu của thế kỷ 21 và được công nhận là quy chuẩn cho các dự án tự động hóa trạm biến áp (SAS). Phiên bản 2 và các bản sửa đổi 2.1 được chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới. Vì các chức năng bảo vệ cũng được ứng dụng, nên cần thiết phải thực hiện việc thí nghiệm. Các thiết bị bảo vệ được thí nghiệm định kỳ để kiểm tra các chức năng cũng như các nhóm thông số chỉnh định. Việc này không thực hiện được theo cách truyền thống trong SAS và SCADA. Bài viết này chỉ ra tầm quan trọng của chủ đề này.

Các khái niệm trong tiêu chuẩn

Mô hình dữ liệu (Data Model) và chế độ thí nghiệm (Mode Test): Theo quy định của IEC 61850-7-4, mọi IED bao gồm một mô hình dữ liệu với các nút logic (LN). Các LN được sắp xếp trong các thiết bị logic (Logical Device – LD). Các LN chứa các thông tin như bảo vệ khởi động hoặc vị trí của các máy cắt. Ngoài ra, mỗi LN đều chứa một thuộc tính (attribute) chế độ (Mod). Có 5 loại chế độ khác nhau: ON; Blocked; Test; Test/blocked; OFF. Tính đến các cài đặt chỉnh định toàn diện của một LD tạo ra một trạng thái phản ứng (Behavior – Beh). Phụ lục A2 chứa một bảng đề cập các sự phụ thuộc phức tạp. Dấu hiệu nhận biết sự mô phỏng (Simulation): Trong phiên bản thứ 2, với bản tin GOOSE và các mẫu đo lường Sampled Values, một thông tin mới được đề cập cho phép phân biệt các bản tin thực tế và bản tin được mô phỏng. Dấu hiệu nhận biết mô phỏng “S-indication” được áp dụng trong toàn thiết bị vật lý (LN LPHD, Physical Device), ứng dụng của nó có thể so sánh với các khối/ khóa thử nghiệm (test switch) truyền thống. Liên động CILO: Các lớp LN ký hiệu bắt đầu với chữ C thể hiện ứng dụng trong điều khiển (control). Do đó, “CILO” chỉ ra các điều kiện liên động được thỏa mãn và cho phép điều khiển một thiết bị. Mỗi thiết bị đóng cắt đều có một LN dạng này. Các trạng thái về vị trí cần được đọc về (subscribed). Thực hiện liên động chỉ là một vấn đề nội bộ (local issue) trong LN này. Giám sát với LGOS: IEC 61850-7-4 quy định phân loại LGOS như một LN. Chữ cái đầu tiên (L) thể hiện đặc tính hệ thống của nút logic này. Nút logic này được đề cập trong phiên bản 2, cho phép giám sát việc đọc về (subscription) các bản tin GOOSE.

Chu trình (Life Cycle) một dự án SAS

Hình 1

Tiêu chuẩn không mô tả việc thí nghiệm SAS, mà mô tả chu trình của một dự án (phần 4). Thông thường các giai đoạn như FAT (Thí nghiệm chứng nhận khi xuất xưởng) và SAT (Thí nghiệm chạy thử trước khi đưa vào vận hành tại hiện trường). Tính đến toàn bộ chu trình, Hình 1 mô tả toàn bộ về dự án – từ việc lên thông số kỹ thuật đến khi làm việc với thiết bị thực. Dự án khởi động trên bàn làm việc khi mô tả các thông số kỹ thuật và sử dụng nó cho hồ sơ mời thầu. Phần 6 của IEC 61850 mô tả việc cấu hình SAS. Bên cạnh đó, các thông số không thuộc phạm vi của IEC 61850 như các chỉnh định bảo vệ rơle cần được khai báo với các công cụ riêng của các nhà sản xuất. Giai đoạn này kết thúc với FAT và các thí nghiệm tiếp theo, kết thúc bằng SAT. Nhưng ngay cả khi đã hoàn thành SAT, việc bảo dưỡng hệ thống cần được duy trì và cập nhật về an ninh mạng (security update) ngày càng trở nên quan trọng.

Thí nghiệm SAS

Hình 2

Các liên động: Thực hiện liên động trong IEC 61850 là một trong những ứng dụng đầu tiên của IEC 61850 GOOSE. Cơ chế multicast khiến GOOSE dễ dàng gửi các trạng thái vị trí, ví dụ của dao cách ly tới các bộ điều khiển ngăn lộ khác hoặc các IED liên động tập trung.

Hình 3

Các phương thức thực hiện liên động khác nhau được thảo luận giữa các đơn vị điện lực. Mỗi phương thức liên động, tập trung cũng như phân tán, đều có các ưu nhược điểm. Thực hiện các phương thức này, chủ đề thí nghiệm trở nên quan trọng. Các nhóm làm việc với các đơn vị điện lực tại Cộng hòa Liên bang Đức đã thảo luận về phương pháp và trình tự thí nghiệm, rồi đưa chủ đề này vào việc tiêu chuẩn hóa quốc tế. Hình 3 thể hiện các đối tượng liên quan. Kịch bản thí nghiệm có thể thực hiện như trên Hình 2. Chọn một trong số n (One out of n): Một ví dụ điển hình khác là kiểm tra chọn một trong số n. Điều này tránh các lệnh điều khiển khi các lệnh khác đang được thực hiện.

Phương pháp thí nghiệm

Các phương pháp đã được đề cập nay được mở rộng. Mô phỏng (simulation) các IED vẫn giữ vai trò quan trọng trong giai đoạn thiết kế, FAT, SAT và thí nghiệm chạy thử. Một hợp bộ thí nghiệm tự động được khuyến cáo sử dụng. Thí nghiệm này mở rộng việc thí nghiệm từ thí nghiệm và mô phỏng các IED riêng lẻ sang thí nghiệm toàn diện SAS. Nhu cầu mô phỏng tồn tại trong tất cả các giai đoạn của dự án. Ở chiều ngược lại, mức độ áp dụng giảm dần và các dạng thí nghiệm khác nhau được áp dụng (xem Hình 1).

Giải pháp thí nghiệm

Hình 4

Tổng quan: Giải pháp thí nghiệm khuyến cáo bao gồm cả phần mềm và phần cứng. Việc sử dụng một phần cứng chuyên dụng chứ không chỉ là phát triển một ứng dụng cho PC được lựa chọn vì những lý do sau: – Đảm bảo về an ninh mạng và kết nối an toàn đến hệ thống mạng của trạm biến áp. – Khả năng tính toán theo thời gian thực các bản tin GOOSE và Sampled Values. – Cho phép mô phỏng đa (multi) IP – Kết nối tới nhiều mạng – Khả năng cập nhật các bản vá an ninh – Bản quyền license linh hoạt, tiện lợi Phần mềm cung cấp một hộp công cụ cho các hạng mục công việc khác nhau (xem Hình 4). Hệ thống được thử nghiệm: Như đã đề cập, toàn bộ hệ thống bây giờ sẽ được thử nghiệm (Hình 5).

Hình 5

Zero Line (Bỏ qua sơ đồ đấu dây nhất thứ): Toàn bộ hệ thống sẽ được hiển thị quan sát (Hình 6). Các thông tin có sẵn trong file SCD sẽ được sử dụng. Nó bao gồm các thông tin trong trạm (cấp điện áp, ngăn lộ,…). Tiêu chuẩn đề cập các khả năng để mô hình các phần tử trong trạm bằng sơ đồ một sợi (single line diagram). Phần lớn các file SCD hiện dùng không chứa dạng thông tin này. Do đó, khuyến cáo làm việc theo cách “zero line” để hiển thị các thiết bị (Hình 6). Zero line nghĩa là phân nhóm theo cấp điện áp, sắp xếp các ngăn lộ và các thiết bị tương ứng. Việc quan sát trong một SAS khổng lồ có thể thực hiện trong bản đồ hệ thống (Hình 7). Nhấn vào “Go-live” để quan sát tình trạng hiện tại của thiết bị.

Hình 6, 7, 8

Kiểm tra (Tracing) theo dõi các tín hiệu (Signal): Chức năng của hệ thống SAS là truyền các bản tin từ nguồn đến đích. Nếu có lỗi trong quá trình truyền tin, các kỹ sư thí nghiệm cần theo dõi các tín hiệu trên đường truyền trong SAS. Việc tìm ra các tín hiệu lỗi trong trường hợp truyền thống (cáp đồng) tốn rất nhiều thời gian, với IEC 61850 việc này gần như không thể thực hiện thủ công. Giải pháp thí nghiệm được đề cập ở đây cho phép quan sát các đường truyền tín hiệu trong SAS, như trên Hình 8. Kiến trúc được sử dụng cho phép theo dõi các tín hiệu được truyền như bản tin GOOSE hay các Report, giúp việc phân tích các vấn đề truyền thông khá dễ dàng.

Hình 9, 10, 11

Trên phần mềm có thể quan sát được việc liên kết bằng tín hiệu. Các bộ điều khiển ngăn lộ giao tiếp với SCADA (Hình 9). Lượng thông tin khổng lồ dễ gây nhầm lẫn, chức năng lọc (Filter) có thể hỗ trợ việc này (Hình 10), cho các bản tin GOOSE và Report (Hình 11). Tên (Names): Tên trong mô hình dữ liệu. Những người không rành về IEC 61850 và người dùng kỳ vọng có nhiều thông tin hơn nữa. Phần mềm nhận ra các tên, phát hiện ra mục đích và hiển thị lên tương ứng. Tên có thể thay đối được (Hình 12) – ví dụ bằng ngôn ngữ chúng ta lựa chọn. IEC 61850 với các thông tin nền tảng cơ bản (Background): IEC 61850 có thể quan sát được với các gói dữ liệu (DataSets) (Hình 13) và các khối điều khiển GOOSE Control Block (Hình 14). Phân tích và khắc phục lỗi: Các mô hình dữ liệu của các IED hiện đại có thể rất lớn. Công cụ nhóm và lọc thông tin tự động sẽ giúp ích cho việc quản lý. Các thông tin trạng thái quan trọng nhất sẽ được hiển thị. Phần mềm phân tích các giá trị và chỉ ra các thông tin liên quan (Hình 15).

Hình 12, 13, 14, 15

Các kịch bản thí nghiệm mẫu (Test Plans): Các thí nghiệm được lưu lại dạng biên bản, có thể sử dụng ở các giai đoạn khác nhau. Hình 16 thể hiện một kịch bản thí nghiệm có sẵn để sử dụng lại tại một giai đoạn khác của dự án SAS.

Hình 16

Theo trình tự, thí nghiệm có thể được thực hiện và đánh giá tự động. Thí nghiệm các logic: Logic được sử dụng trong liên động vận hành, như đã được đề cập, cũng như trong các chức năng tự động khác trong trạm biến áp. Các điều kiện logic được bổ sung trong các thiết bị điều khiển. Thí nghiệm các chức năng liên động này là một phần cơ bản tất yếu khi thí nghiệm FAT và SAT.

Hình 17

Trong trường hợp liên động, trạng thái mô phỏng hoặc thực tế của thiết bị đóng cắt được tính đến và đánh giá. Để thể hiện kết quả của các điều kiện logic liên động, IEC 61850 thể hiển trạng thái thỏa mãn điều kiện trong nút logic CILO. Như được miêu tả trong Hình 17, giải pháp đưa ra là đọc giá trì từ mô hình dữ liệu (data model) và đánh giá phản ứng liên động bằng cách đọc các giá trị CILO tự động. Điều cơ bản là nắm được phản ứng của các logic sẽ được thí nghiệm tại bất cứ giai đoạn nào trong chu trình của một dự án SAS. Vì vậy, ngay cả khi thay đổi IED hoặc nâng cấp firmware, toàn bộ thí nghiệm khi đã được thực hiện có thể được thực hiện lại. Các vấn đề xảy ra có thể được xử lý, và sau đó các thí nghiệm có thể được thực hiện lại (“test-fix-repeat”). Lưu ý: Các thiết bị không tồn tại có thể được mô phỏng, vì vậy phương pháp này cho phép thí nghiệm tại bất cứ giai đoạn nào (Hình 17) Thí nghiệm sau khi nâng cấp firmware: Trong quá khứ, đưa một hệ thống SAS vào vận hành nghĩa là nó đã được thí nghiệm toàn diện với FAT và SAT, nhưng không được thí nghiệm định kỳ và không nâng cấp firmware (bị đóng băng) trong 10 tới 20 năm. Tuy nhiên hiện nay điều này không còn đúng nữa. Các IED trong các trạm biến áp cũng phải cần được vá các bản cập nhật về an ninh. Vấn đề là sau đó, mọi thứ của relay đó cần được thí nghiệm lại, gồm cả những phần liên quan về truyền thông. Tới hiện tại, không có phương pháp chuẩn để thí nghiệm lại về truyền thông. Mọi thứ phải thực hiện thủ công.

Hình 18

Giải pháp đưa ra ở đây giúp thí nghiệm và đánh giá tự động. Toàn bộ phần truyền thông của các thiết bị có thể thí nghiệm lại dễ dàng sau khi cập nhật firmware bằng cách chạy các kịch bản thí nghiệm đã chuẩn bị sẵn cho thiết bị đó (Hình 18) Giám sát GOOSE: Như quan sát được trên Hình 13, các bản tin GOOSE được gửi dưới dạng multicast – một thiết bị gửi tới nhiều nơi. Vì vậy, mọi IED nằm trong danh sách nhận của multicast sẽ nhận được thông tin này. Việc nhận và sử dụng các thông tin này được gọi là “subscription”. Nhưng làm thế nào để biết được các chức năng nhận được thực hiện thành công? Tất nhiên, việc thí nghiệm các phản ứng của hệ thống sẽ chỉ ra việc này, dù rằng sẽ tốn nhiều công sức. Ngược lại, sử dụng thông tin này chỉ từ mô hình dữ liệu của IED sẽ dễ hơn nhiều. Như đã đề cập, IEC 61850 định nghĩa nút logic LGOS. Là nút logic hệ thống, các thuộc tính dữ liệu mô tả trạng thái của các bản tin GOOSE subscription. Ngày càng nhiều các hãng sản xuất cung cấp thông tin này. Nếu việc nhận (subscription) bị lỗi sẽ được chỉ ra.

Mô phỏng (Simulations)

Như đã đề cập, việc mô phỏng là quan trọng trong bất cứ giai đoạn nào của dự án SAS. Như đã giải thích, khối lượng mô phỏng có thể giảm bớt nhưng nó là cần thiết tại bất cứ giai đoạn nào. Khởi động với các thông số kỹ thuật và trong quá trình cấu hình nghĩa là không có các thiết bị thực. Phương pháp cho phép mô phỏng bất kỳ thiết bị thiếu nào. Ở bước đầu tiên, điều này đồng nghĩa với mô phỏng tất cả mọi thứ. Việc mô phỏng các IED liên quan đến truyền thông cho phép kiểm tra đường truyền thông tin, cấu hình DataSet và các mô hình dữ liệu. Điều thường xảy ra là giao diện HMI tại chỗ (client) không có sẵn khi cài đặt chỉnh định các IED. Việc mô phỏng hệ thống SCADA mang lại sự tự tin rằng các IED được cấu hình chuẩn xác. Trong giai đoạn thí nghiệm chạy thử, các IED có thể chưa sẵn sàng và cần được mô phỏng. Thí nghiệm SCADA tới cấp cao hơn (trung tâm điều khiển, trung tâm điều độ quốc gia) là bước quan trọng khi đưa hệ thống vào vận hành. Các thí nghiệm “bit-tests” này thường rất tốn thời gian và yêu cầu sự chú ý phối hợp của nhân viên tại trung tâm điều khiển. Bất cứ vấn đề nào xảy ra tăng nguy cơ dẫn đến thí nghiệm phải dừng và thực hiện lại. Do đó, việc mô phỏng các client rất hữu ích để tránh các trường hợp không mong muốn kiểu này xảy ra. Mặt khác, một khi đã thực hiện, các thí nghiệm có thể được lặp lại dễ dàng và tiết kiệm thời gian.

Triển vọng trong tương lai

Có rất nhiều khả năng để mở rộng phương pháp này. Do việc đặt (bơm) vào các tín hiệu tương tự là cần thiết ít nhất một lần trong quá trình thí nghiệm, nên đây có thể là một triển vọng. Trong các trạm biến áp kỹ thuật số hiện đại, các phần cứng với khả năng thời gian thực phải tạo ra các tín hiệu dưới dạng Sampled Values theo IEC 61850-9-2 và IEC 61869-9. Trong thập kỷ gần đây, các lĩnh vực điều khiển, tự động hóa và bảo vệ đã phát triển cùng nhau, và không có ranh giới rõ ràng giữa các lĩnh vực khác nhau này. Các phương pháp thí nghiệm hiện đại cần tính đến điều này. Cũng như, thí nghiệm bảo vệ chuyển từ thí nghiệm các thiết bị đơn lẻ sang thí nghiệm hệ thống, với các giải pháp khả thi. Các phương pháp kiểu này cần được thực hiện cùng nhau và đem lại quy trình thí nghiệm tổng thể.

Kết luận

Các chức năng điều khiển và tự động ngày càng trở lên quan trọng bởi ứng dụng rộng của chúng trong các hệ thống tự động hóa trạm hiện đại. Thực hiện các thí nghiệm kiểu này tự động mang lại một tiềm năng lớn để tiết kiệm chi phí và nâng cao độ tin cậy của lưới điện. Các giải pháp thí nghiệm là khả thi. Nguồn: Testing Automation and Control Tác giả: Thomas Schossig và Andreas Klien, OMICRON electronics GmbH, Cộng hòa Áo – Tạp chí PACWorld, số tháng 9 năm 2018 Biên dịch: Trần Quang Minh – Công ty Cổ phần ENTEC A&T Thông tin về tác giả

Andreas Klien nhận bằng Thạc sỹ khoa học về Kỹ thuật máy tính tại Đại học Bách khoa Vienna. Ông gia nhập OMICRON năm 2005, và nghiên cứu làm việc về IEC 61850 kể từ đó. Từ năm 2018, ông phụ trách về kinh doanh về truyền thông trong ngành điện tại OMICRON. Ông có nhiều kinh nghiệm về truyền thông trong trạm biến áp, SCADA, và an ninh mạng cho hệ thống điện. Là thành viên của nhóm làm việc WG10 thuộc TC57 của IEC, ông trực tiếp tham gia vào việc phát triển tiêu chuẩn IEC 61850.Thomas Schossig (thành viên IEEE) nhận bằng Thạc sỹ Kỹ thuật điện tại Đại học Kỹ thuật Ilmenau (Cộng hòa Liên bang Đức) vào năm 1998.Ông làm kỹ sư dự án cho các hệ thống điều khiển và trưởng nhóm về relay bảo vệ tại VA TECH SAT (cộng hòa Liên bang Đức) từ năm 1998 đến năm 2005. Năm 2006 Thomas gia nhập OMICRON electronics, với vai trò Quản lý sản phẩm cho các sản phẩm và giải pháp truyền thông trong trạm biến áp. Từ năm 2018, ông phụ trách về kinh doanh về truyền thông trong ngành điện tại OMICRON electronics. Ông có nhiều bài báo về IEC 61850 và thí nghiệm bảo vệ, và là thành viên của nhóm làm việc IEC liên quan đến tiêu chuẩn IEC 61850.

https://new.automationandtesting.vn/hoi-thao-ky-thuat-ve-iec-61850/