Trách nhiệm của hệ thống. Hệ thống này phải giao tiếp với tất cả IED trong trạm biến áp. Điều này bao gồm việc kiểm soát vòng (polling) các IED để lấy các số đo và các thông báo sự kiện. Dữ liệu từ tất cả IED đều phải được gửi tới doanh nghiệp công ty điện lực để đưa vào kho dữ liệu hoặc được gửi tới nơi thích hợp cho việc lưu trữ dữ liệu trạm biến áp. Hệ thống này xử lý dữ liệu và kiểm tra các yêu cầu từ người sử dụng và từ kho dữ liệu. Hệ thống phải cách ly chức năng bản quyền của nhà cung cấp điện bằng việc cung cấp giao diện chung cho các IED. Nói cách khác, cần có một giao diện chuẩn, không cần quan tâm đến nhà cung cấp IED. Hệ thống cần được cập nhật với sơ đồ báo cáo trong trường hợp bất thường (report-by-exception) ở đó những thay đổi về điểm trạng thái và những sự thay đổi về điểm analog chỉ được báo cáo khi chúng vượt quá dải chết (deadband).

Kiến trúc của hệ thống. Các kiểu dữ liệu và điều khiển mà hệ thống sẽ tạo điều kiện thuận lợi phụ thuộc vào việc lựa chọn các IED và thiết bị trong hệ thống. Điều này phải được giải quyết đối với từng trạm cụ thể. Yêu cầu cơ bản là phải nhận được các giá trị đo analog sao cho thể hiện được chính xác các giá trị thực của chúng.

Mức 1. Thiết bị tại hiện trường. Mỗi thiết bị điện tử (rơle, đồng hồ, PLC, v.v.) đều có bộ nhớ trong để lưu trữ một số hoặc tất cả các dữ liệu dưới đây: giá trị analog, các thay đổi trạng thái, trình tự các sự kiện và chất lượng điện. Những dữ liệu này thường được lưu trữ trong hệ hàng đợi “vào trước ra trước” (first in, first out queue) và thay đổi tùy theo số các sự kiện, v.v., được duy trì.

Mức 2. Bộ tập trung dữ liệu trạm biến áp. Bộ tập trung dữ liệu trạm cần kiểm tra vòng từng thiết bị (thiết bị điện tử cũng như các thiết bị khác) để thu nhận các giá trị analog và các thay đổi trạng thái theo tần suất thu thập dữ liệu nhất quán với hệ thống SCADA của công ty điện lực (ví dụ, 2 giây một lần đối với các điểm trạng thái, 2 giây một lần đối với các giá trị analog của đường dây liên kết và máy phát, và từ 2 đến 10 giây một lần đối với các giá trị analog còn lại). Bộ tập trung dữ liệu trạm biến áp cần có cơ sở dữ liệu cục bộ.

Mức 3 Hệ thống SCADA/Kho dữ liệu. Tất cả dữ liệu được yêu cầu cho mục đích vận hành cần được kết nối với hệ thống SCADA thông qua liên kết truyền thông từ bộ tập trung dữ liệu. Tất cả dữ liệu dùng với mục đích không vận hành nên được nối với kho dữ liệu thông qua liên kết truyền thông từ bộ thu thập dữ liệu. Cần phải có kho dữ liệu để hỗ trợ cho máy chủ hay kiến trúc khách-chủ về trao đổi dữ liệu giữa hệ thống và những người sử dụng trong công ty qua mạng diện rộng (WAN) của công ty. Cách cài đặt này cung cấp cho người sử dụng những thông tin cập nhật và không cần chờ truy cập bằng cách sử dụng dây liên lạc đơn đến hệ thống, ví dụ như kết nối bằng đường điện thoại qua modem.

Bộ xử lý chủ của trạm biến áp. Bộ xử lý chủ của trạm biến áp phải dựa trên các chuẩn công nghiệp và khả năng liên kết mạng mạnh như Ethernet, TCP/IP, UNIX, Windows 2000 hoặc XP, Linux, v.v. Nó cũng phải hỗ trợ cấu trúc mở, không có những giao tiếp hoặc sản phẩm độc quyền. Cơ sở dữ liệu quan hệ (relational database - RDB) được công nghiệp tiếp nhận với khả năng truy vấn ngôn ngữ (structured query language - SQL) và tính toán trong toàn doanh nghiệp phải được hỗ trợ. Nhà cung cấp RDB phải có khả năng tái tạo để hỗ trợ cơ sở dữ liệu dư thừa hoặc dự phòng.

Mạng LAN trạm biến áp. Mạng LAN trạm biến áp phải đáp ứng các chuẩn công nghiệp để cho phép thao tác giữa các phần và sử dụng thiết bị plug-and-play (cắm vào là chạy). Cần tuân theo các nguyên lý cấu trúc mở bao gồm việc sử dụng các giao thức chuẩn (ví dụ IEEE 802.x (Ethernet)). Công nghệ mạng LAN sử dụng phải áp dụng được trong môi trường trạm biến áp và tạo điều kiện dễ dàng cho việc giao tiếp với thiết bị IED, PLC, đồng thời phải miễn nhiễm và cách ly với tiếng ồn của trạm.

Giao diện người sử dụng. Giao diện người sử dụng trong trạm điện phải là thiết kế trực giác để đảm bảo sử dụng hiệu quả và giảm thiểu nhầm lẫn. Phân cấp hiển thị hiệu quả sẽ cho phép thực hiện tất cả các hoạt động chủ yếu từ một số không nhiều các hiển thị. Điều quan trọng là phải giảm thiểu hoặc thậm chí không cần phải đánh chữ. Tất cả các hiển thị nên có hình thức và cảm nhận chung. Cần sử dụng một thư viện các ký hiệu để thể hiện các thiết bị công suất trong trạm trên hiển thị đồ họa. Trên thực tế, cần thiết lập và sử dụng thư viện này trong tất cả các trạm biến áp và kết hợp với những hệ thống khác trong công ty điện lực như hệ thống SCADA phân phối, hệ thống quản lý năng lượng, hệ thống thông tin địa lý (GIS), hệ thống quản lý cuộc gọi sự cố, v.v.

Giao diện truyền thông. Có các giao diện với IED trong trạm biến áp để thu thập dữ liệu, xác định trạng thái hoạt động của mỗi IED, hỗ trợ tất cả các giao thức truyền thông sử dụng bởi các IED và hỗ trợ các giao thức chuẩn đang được phát triển. Có thể có giao tiếp với hệ thống quản lý năng lượng (energy management system - EMS) cho phép người vận hành hệ thống giám sát và điều khiển từng trạm biến áp và EMS nhận dữ liệu từ hệ thống tích hợp và tự động hóa trạm theo những chu kỳ khác nhau. Có thể có giao tiếp với hệ thống quản lý phân tán với các khả năng tương tự như giao diện EMS.

Kho dữ liệu. Kho dữ liệu của công ty cho phép người sử dụng truy cập dữ liệu trạm biến áp đồng thời duy trì bức tường lửa ngăn không cho tiếp cận các chức năng kiểm tra và vận hành trạm. Cả dữ liệu vận hành và không vận hành đều cần trong kho dữ liệu. Để xác định dung lượng kho dữ liệu, công ty phải xác định ai là người sử dụng dữ liệu hệ thống tự động hóa trạm, bản chất của ứng dụng, loại dữ liệu cần, mức độ cần dữ liệu và tần suất yêu cầu cập nhật đối với mỗi người sử dụng.

Nguyên tắc cơ bản của giao thức. Giao thức truyền thông cho phép truyền dữ liệu giữa hai thiết bị. Các thiết bị phải có cùng giao thức (và phiên bản) được thực hiện, nếu không sẽ dẫn đến lỗi trong truyền thông. Kiến trúc tích hợp và tự động hóa trạm phải cho phép các thiết bị từ những nhà cung cấp khác nhau có thể giao tiếp được bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn công nghiệp. Công ty điện lực có được độ linh hoạt trong việc chọn thiết bị tốt nhất cho mỗi ứng dụng, miễn là các nhà cung cấp đã thiết kế các thiết bị của họ để đạt được đầy đủ chức năng theo giao thức này.

Những cân nhắc về giao thức. Có hai khả năng để công ty điện lực xem xét đối với một IED. Khả năng chính của IED là khả năng độc lập, như việc bảo vệ hệ thống điện đối với IED rơ le. Khả năng thứ hai là tính tích hợp, như giao tiếp vật lý (ví dụ, RS-232, RS-485, Ethernet) và giao thức truyền thông (ví dụ, DNP3, Modbus, IEC 61850 MMS). Hiện nay, các công ty điện lực thường qui định các IED họ cần để sử dụng trong trạm hơn là ký hợp đồng chìa khoá trao tay với nhà cung cấp. Tuy nhiên, các công ty điện lực thường chỉ chọn các IED dựa trên khả năng độc lập mà không quan tâm đến khả năng tích hợp của nó.

Kiến trúc truyền thông của công ty điện lực. Hiện nay, trong toàn bộ ngành điện, người ta coi việc sử dụng các chuẩn giao thức quốc tế là chìa khóa cho việc tích hợp thành công các bộ phận khác nhau của doanh nghiệp công ty điện lực. Một lĩnh vực là tiêu chuẩn hoá giao thức dùng cho tích hợp và tự động hóa trạm biến áp.  Những nỗ lực này được thực hiện trong khuôn khổ UCA (Utility Communications Architecture) do Viện nghiên cứu Điện lực cung cấp.

Kết hợp UCA với IEC 61850. Năm 1995, các nhóm công tác 10, 11 và 12 của Ban kỹ thuật 57 thuộc IEC bắt đầu xây dựng tiêu chuẩn IEC 61850 “Mạng và hệ thống truyền thông trong trạm biến áp”, trong đó qui định giao thức chuẩn đối với điều khiển và bảo vệ trạm biến áp, bao gồm các ngăn xếp truyền thông xen kẽ cần được xử dụng với một lớp người sử dụng hướng đối tượng xác định cho trạm biến áp tiêu chuẩn. 10 phần hiện nay của bộ tiêu chuẩn IEC 61850 đã được ban hành, mặc dù có nhiều khả năng sẽ phải rà soát lại bởi vì các hệ thống lắp đặt tại hiện trường cho thấy có nhiều vấn đề và nhược điểm. Năm 2001, những người xây dựng tiêu chuẩn IEC 61850 và UCA đã đồng ý kết hợp các tiêu chuẩn này thành một tiêu chuẩn quốc tế. Đây là mục tiêu quan trọng đối với cả hai dự án tiêu chuẩn.

IEC 61850. Việc tiếp tục phát triển tiêu chuẩn UCA2/MMS đã dừng lại bởi vì các nhà cung cấp tập trung vào việc thực hiện các phiên bản IEC 61850 về thiết kế tự động hóa trên cơ sở LAN. Trong khi đó, các dự án trình diễn UCA2/MMS đã được nâng cấp thành IEC 61850 hoặc được chuyển sang DNP3. Hiện nay, rất ít hệ thống tự động hoá trạm biến áp đang vận hành sử dụng UCA2/MMS. Những hệ thống UCA2/MMS thử nghiệm bao gồm một lượng đáng kể công việc lập trình và hiệu chỉnh rơ le và IED để giúp công nghệ mới phức tạp này hoạt động được trong các công trình lắp đặt thực tế ban đầu.

Giao thức mạng phân tán. Phát triển giao thức mạng phân tán (distributed network protocol – DNP) là sự nỗ lực toàn diện để đạt đến khả năng hoạt động (interoperability) mang tính mở, dựa theo chuẩn giữa các máy tính trong trạm, các RTU, IED và trạm chủ (ngoại trừ truyền thông giữa các trạm chủ) dùng cho ngành điện. Lợi ích trước mắt của việc sử dụng DNP là: khả năng hoạt động giữa các thiết bị của nhiều nhà cung cấp; ít giao thức hơn để hỗ trợ tại hiện trường; giảm chi phí phần mềm; không cần đến các bộ chuyển đổi giao thức; rút ngắn danh mục cung ứng; yêu cầu ít thử nghiệm, bảo trì và đào tạo hơn; tài liệu được cải tiến; độc lập trong việc kiểm tra tương thích; hỗ trợ bởi người sử dụng độc lập; các nguồn nhóm và của bên thứ ba (ví dụ, bộ kiểm tra, mã nguồn). Về lâu dài, sử dụng DNP cũng có thể đem lại nhiều lợi ích khác như: mở rộng hệ thống dễ dàng; tuổi thọ sản phẩm cao; nhiều sản phẩm giá trị gia tăng hơn từ nhà cung cấp; chấp nhận công nghệ mới nhanh hơn; tiết kiệm nhiều trong vận hành.

Chọn giao thức phù hợp. Có nhiều yếu tố cần xem xét khi chọn giao thức phù hợp cho ứng dụng. Đầu tiên, xác định vùng hệ thống cần quan tâm nhất, như giao thức từ trạm chủ SCADA tới các RTU của hệ thống SCADA, giao thức từ các IED trạm biến áp tới một RTU hay PLC hay một mạng LAN trong trạm. Thứ hai, xác định thời gian lắp đặt, ví dụ, 6 tháng, 18 tới 24 tháng, hoặc từ 3 tới 5 năm. Trong một số lĩnh vực ứng dụng, công nghệ thay đổi nhanh chóng đến nỗi thời gian lắp đặt có thể ảnh hưởng rất lớn đến việc lựa chọn giao thức.

Các RTU dùng trong TBA Ảnh: B.T.Thanh (ST)

Bên trong trạm biến áp. Từ cuối những năm 1980 người ta đã thấy là cần phải có giao thức chuẩn cho IED. Các nhà cung cấp IED thừa nhận rằng chuyên môn của họ là về IED chứ không phải là khả năng truyền thông hai chiều, giao thức truyền thông hay chức năng IED bổ sung từ người sử dụng từ xa. Mặc dù ngành điện đã nỗ lực để tăng thêm khả năng truyền thông cho IED nhưng tất cả các nhà cung cấp IED đều lo ngại rằng tăng chức năng cho IED sẽ ảnh hưởng tới tính năng của IED và đẩy giá IED sẽ quá cao khiến các các công ty điện lực không muốn mua. Do đó, ngành điện cam kết sẽ giữ giá cạnh tranh và tính năng cao một IED được tiêu chuẩn hóa.

Từ trạm biến áp tới doanh nghiệp công ty điện lực. Đây là lĩnh vực của giao thức truyền thông SCADA truyền thống. Từ đầu những năm 1980, các phân ban Thu thập dữ liệu, Hệ thống xử lý và điều khiển thuộc Ban Trạm biến áp của IEEE PES đã bắt đầu xây dựng qui trình khuyến cáo nhằm chuẩn hóa việc thực hiện truyền thông chủ/từ xa. Vào thời điểm đó, mỗi nhà cung cấp hệ thống SCADA đều phát triển những giao thức riêng dựa vào công nghệ của thời kỳ đó. Những giao thức bản quyền này có cấu trúc thông điệp, thiết bị đầu cuối mạch dữ liệu (DCE), giao diện DCE-tới-kênh và sơ đồ phát hiện và phục hồi lỗi, khác nhau.

Quyết định tương lai. Khi nhìn về tương lai, có vẻ như khoảng thời gian giữa hiện tại và tương lai ngày càng rút ngắn lại. Chỉ trong vòng sáu tháng, chiếc máy tính cá nhân mua hôm nay đã trở nên lỗi thời bởi kiểu máy mới có tính năng cao gấp đôi, giá lại rẻ hơn, vậy bạn có thể làm gì để bảo vệ khoản đầu tư vào công nghệ thực hiện ngày hôm nay? Rõ ràng, không có cách nào để theo kịp với mọi sự phát triển công nghệ trong tất cả lĩnh vực. Vì vậy bạn phải dựa vào những người khác để nắm thông tin và người bạn chọn để nắm được thông tin là rất quan trọng. Mỗi lần mua, bạn phải xác định không chỉ sản phẩm hiện tại của nhà cung cấp mà còn những kế hoạch phát triển sản phẩm trong tương lai.

· Nhà cung cấp có liên tục cải tiến và nâng cấp sản phẩm không?

· Nhà cung cấp có đang phát triển những sản phẩm mới để đáp ứng nhu cầu tương lai không?

· Các sản phẩm hiện tại có thể chuyển sang những sản phẩm mới, được nâng cấp không?

Chọn nhà cấp điện chính xác sẽ đảm bảo bạn nắm được thông tin về xu hướng và sự phát triển trong ngành trong tương lai và cho phép bạn tiếp cận những công nghệ mới, ảnh hưởng ít nhất đến sự hoạt động hiện tại.