Nghiên cứu, thiết kế hệ thống liên động cho rơ le bảo vệ dựa trên truyền thông qua mạng ethernet

- NGUYỄN TUẤN HÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG LIÊN ĐỘNG CHO RƠ LE BẢO VỆ DỰA TRÊN TRUYỀN THÔNG QUA MẠNG ETHERNET LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2017 NGUYỄN TUẤN HÙNG KỸ THUẬT ĐIỆN KHÓA 2014B BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- NGUYỄN TUẤN HÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG LIÊN ĐỘNG CHO RƠ LE BẢO VỆ DỰA TRÊN TRUYỀN THÔNG QUA MẠNG ETHERNET LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN ĐỨC HUY Hà Nội – 2017 Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng toàn bộ nội dung của bài luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.
- 2 1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 2 1.4 Nội dung luận văn 3 CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH TRẠM BIẾN ÁP THEO TIÊU CHUẨN IEC Quá trình phát triển của các kiểu hệ thống trạm biến áp 4 2.1.1 Hệ thống điều khiển kiểu truyền thống 4 2.1.2 Hệ thống điều khiển tích hợp 6 2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển tích hợp 8 2.2.1 Cấp trạm 9 2.2.2 Cấp xuất tuyến (ngăn lộ) 10 2.2.3 Cấp chấp hành 10 2.3 Thiết bị điện tử thông minh (IED) 10 CHƢƠNG 3 GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN IEC Giới thiệu chung IEC Lịch sử ra đời 12 3.1.2 Cấu trúc và chức năng truyền thông của tiêu chuẩn IEC Mô hình thông tin trong tiêu chuẩn IEC Mô hình ứng dụng của LN 17 3.1.5 Mô tả thông tin dữ liệu 19 3.1.6 Các dịch vụ trao đổi thông tin 20 3.1.7 Dịch vụ tổ chức thông tin, hợp thành giao thức truyền thông 22 3.1.8 Cấu hình trạm 23 3.1.9 Tóm tắt 24 3.2 Mô hình theo hƣớng tiếp cận 25 Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học iii 3.2.1 Phân tích chức năng ứng dụng và trao đổi thông tin 25 3.2.2 Tạo các mô hình thông tin từ các thành phần hợp thành 26 3.2.3 Mô hình trao đổi thông tin 26 3.3 Ứng dụng của IEC Giới thiệu 28 3.3.2 Mô hình LN và data 29 3.4 Thiết bị trong IEC Giới thiệu 30 3.4.2 Logical Device 31 3.5 Mô hình truyền thông 32 3.5.1 Những dịch vụ của IEC Mô hình ảo hóa 35 3.6.1 Cơ chế trao đổi thông tin cơ bản 35 3.7 Xây dựng các khối cho server/client 37 3.7.1 Server 37 3.7.2 Client – server 38 3.8 Ghép nối thiết bị vật lý, mô hình ứng dụng và truyền thông 39 3.9 Kết hợp ACSI vào hệ thống trao đổi thông tin thực 42 3.9.1 Giới thiệu 42 3.9.2 Ví dụ xếp chồng giá trị tên MMS 43 3.10 Mô hình lớp dữ liệu 44 3.10.1 Tổng quan 44 3.10.2 Áp dụng 45 3.11 Thiết lập tên 45 3.12 Kết luận 46 CHƢƠNG 4 PHÂN TÍCH BẢN TIN GOOSE TRONG CHUẨN IEC Giới thiệu về GOOSE 47 4.2 Xây dựng mô hình truyền nhận bản tin GOOSE 49 4.3 Phân tích bản tin GOOSE 50 Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học iv CHƢƠNG 5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LIÊN ĐỘNG CHO RƠ LE BẢO VỆ SỬ DỤNG TIN NHẮN GOOSE 56 5.1 Hệ thống liên động bảo vệ rơ le sử dụng tin nhắn GOOSE 56 5.2 Mô hình mô phỏng hệ thống liên động bảo vệ rơ le 58 5.3 Lựa chọn phần cứng cho hệ thống mô phỏng 60 5.3.1 Board Arduino Uno Arduino Mega Máy tạo nguồn dòng 63 5.3.4 Bộ chuyển đổi dòng-áp 64 5.3.5 Modem TP-Link TL-WR740N 65 5.4 Lập trình cho hệ thống 65 5.4.1 Lưu đồ thuật toán 65 5.4.2 Lập trình cho Arduino UNO - mô tả rơ le xuất tuyến 68 5.4.3 Lập trình cho Arduino MEGA - mô tả rơ le tổng 71 5.5 Chạy mô phỏng 74 5.5.1 Kết nối phần cứng hệ thống 74 5.5.2 Chạy mô phỏng ở chế độ Chạy mô phỏng ở chế độ Chạy mô phỏng trong trường hợp mạng LAN bị lỗi 77 CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN 79 6.1 Những kết quả đã đạt đƣợc 79 6.2 Những vấn đề còn tồn tại 80 6.3 Hƣớng phát triển trong tƣơng lai 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Mô hình hệ thống trạm biến áp kiểu truyền thống.
- 4 Hình 2.2 Hệ thống trạm biến áp tích hợp.
- 7 Hình 2.3 Các thành phần của một hệ thống điều khiển tích hợp.
- 9 Hình 3.1 Mô hình tổng quan tiêu chuẩn IEC 61850.
- 13 Hình 3.2 Cấu trúc liên kết của tiêu chuẩn IEC 61850.
- 15 Hình 3.3 Mô hình ảo hóa thiết bị điện thông minh.
- 16 Hình 3.4 Bảng thống kê các nhóm Logical Node.
- 17 Hình 3.5 Thông tin trong một Logical Node.
- 18 Hình 3.6 Các Logical Node hợp thành một thiết bị logic.
- 19 Hình 3.7 Cấu trúc hình cây mô tả thông tin vị trí của một máy cắt.
- 20 Hình 3.8 Phân tích dịch vụ kiểm tra trạng thái máy cắt.
- 21 Hình 3.9 Ví dụ về một tổ chức truyền thông.
- 22 Hình 3.10 Tóm tắt tổng quát chuẩn IEC 61850.
- 24 Hình 3.11 Quá trình chia nhỏ và hợp thành một Logical Node.
- 25 Hình 3.12 Mô tả thông tin của một máy cắt (XCBR.
- 26 Hình 3.13 Mô hình đầu vào và đầu ra.
- 27 Hình 3.14 Mô hình liên kết với thiết bị thật.
- 28 Hình 3.15 Logical Note và data.
- 29 Hình 3.16 Ví dụ về 1 IED Bay unit.
- 30 Hình 3.17 Mô hình liên kết các logical node.
- 31 Hình 3.18 Mô hình thiết bị logic (Logical Device.
- 31 Hình 3.19 Mô hình Logical Device và LLN0/LPHD.
- 32 Hình 3.20 Phương pháp truyền thông ACSI.
- 33 Hình 3.21 Mô tả một số mô hình dịch vụ.
- 35 Hình 3.22 Mô hình ảo hóa thiết bị thực.
- 35 Hình 3.23 Lớp ứng dụng của mô hình GSE.
- 36 Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học vi Hình 3.24 Sơ đồ khối của server.
- 37 Hình 3.25 Quá trình giao tiếp giữa server và client.
- 38 Hình 3.26 Ví dụ về một dịch vụ.
- 39 Hình 3.27 Cấu trúc thành phần các mô hình tiếp cận.
- 40 Hình 3.28 Ghép lớp ACSI và chồng giao thức.
- 42 Hình 3.29 Xếp chồng giá trị tên MMS.
- 43 Hình 3.30 Mô hình tóm tắt dữ liệu trong IEC 61850-7-X.
- 44 Hình 3.31 Mô hình tên tham khảo theo tiêu chuẩn.
- 45 Hình 3.32 Mô hình định nghĩa tên của thiết bị máy cắt.
- 46 Hình 4.1 Mô hình trao đổi thông tin giữa các IED sử dụng bản tin GOOSE.
- 47 Hình 4.2 Quá trình publish/subscribe dữ liệu.
- 48 Hình 4.3 Mô hình tập trung dữ liệu của IEC 61850.
- 49 Hình 4.4 Mô hình truyền nhận bản tin GOOSE.
- 50 Hình 4.5 Bản tin GOOSE thu được từ phần mềm Wireshark.
- 51 Hình 4.6 Lớp Ethernet của bản tin GOOSE.
- 51 Hình 4.7 Một số thông tin của bản tin GOOSE.
- 52 Hình 4.8 Thông tin nội dung bản tin GOOSE.
- 53 Hình 4.9 Các thông số Interlock trong bản tin GOOSE.
- 54 Hình 5.1 So sánh mô hình truyền thống và mô hình sử dụng tin nhắn GOOSE.
- 57 Hình 5.2 sơ đồ một sợi của hệ thống rơ le bảo vệ trạm phân phối.
- 58 Hình 5.3 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng liên động cho rơ le bảo vệ.
- 59 Hình 5.4 Máy tạo nguồn dòng.
- 64 Hình 5.5 Thiết bị chuyển đổi dòng-áp.
- 64 Hình 5.6 Lưu đồ thuật toán publish Goose.
- 66 Hình 5.7 Lưu đồ thuật toán subscriber Goose.
- 67 Hình 5.8 Phần cứng sau khi đã kết nối xong.
- 74 Hình 5.9 hai board Arduino truyền nhận bản tin goose.
- 75 Hình 5.10 Máy cắt B được cắt khi phát hiện ra sự cố.
- 76 Hình 5.11 Máy cắt A được cắt khi phát hiện ra sự cố.
- 77 Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học vii Hình 5.12 Hai board Arduino không còn truyền nhận bản tin.
- 78 Hình 5.13 Máy cắt B cắt khi phát hiện sự cố.
- 78 Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT Viết tắt Chữ đầy đủ tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt CT Curent Transfomer Máy biến dòng VT Voltage Transfomer Máy biến áp BI Binary Input Đầu vào số IED Intelligent Electronic Devices Thiết bị điện thông minh HMI Human Machine Interface Giao diện người dùng LAN Local Area Network Mạng cục bộ.
- SCADA Supervisory Control And Data Acquisition Hệ thu thập dữ liệu và điều khiển có giám sát OLTC On Load Tap Changer Bộ chuyển nấc dưới tải LN Logical Node Nút logic LD Logical Device Thiết bị logic SCSM Specific Communication Service Mapping Dịch vụ tập trung truyền thông cụ thể MMS Manufacturing Message Specification Đặc điểm tin nhắn của nhà sản xuất ACSI Abstract Communication Service Interface Dịch vụ giao tiếp truyền thông trừu tượng SCL Substation Configuration Language Ngôn ngữ cấu hình trạm XML Extensible Mark-up Language Cấu trúc ngôn ngữ đánh dấu có thể mở rộng GOOSE Generic Object Oriented Substation Event Bản tin sự kiện trạm hướng đối tượng GSE Generic Substation Event Mô hình sự kiện trạm Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học 1 Chƣơng 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Hiện nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng các công nghệ điều khiển tích hợp trong trạm biến áp truyền tải và phân phối đang là xu hướng chung của thế giới, nhằm mục đích nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện và giảm chi phí đầu tư cũng như chi phí vận hành.
- Hệ thống tự động hóa trạm biến áp (Substation Automation - SA) là hệ thống cho phép giám sát, điều khiển phối hợp các thiết bị phân tán trong trạm điện, dựa trên mô hình trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị điện thông minh (Intelligent Electronic Device - IED) và các bộ thu thập xử lý dữ liệu tốc độ cao (Remonte Terminal Unit - RTU).
- Do đó vấn đề truyền thông giữa IED với trung tâm điều khiển và các IED với nhau trở nên rất quan trọng trong việc thực hiện tự động hóa trạm.
- Hiện nay, có rất nhiều giao thức truyền thông đã đang được sử dụng trong việc giám sát, điều khiển trạm biến áp, phổ biến nhất là Modbus, DNP3, IEC6870,… Tuy nhiên các giao thức trên không có sự tương đồng hoàn toàn khi được cung cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau, đồng thời hạn chế về tốc độ xử lý nên việc xây dựng các ứng dụng tự động hóa trạm trên nền tảng các giao thức này là rất khó khăn.
- Sự ra đời của tiêu chuẩn IEC 61850 vào năm 2003 đã đem đến những bước phát triển tích cực cho các ứng dụng tự động hóa trạm.
- Tiêu chuẩn IEC 61850 cho phép tích hợp tất cả các chức năng bảo vệ, điều khiển, đo lường và giám sát truyền thống của trạm biến áp, đồng thời nó có khả năng cung cấp các ứng dụng bảo vệ và điều khiển phân tán, chức năng liên động và giám sát phức tạp.
- Trên nền tảng giao thức truyền thông IEC 61850, các hệ thống SA sẽ tăng tính linh hoạt, tăng khả năng tương đồng giữa các thiết bị trong trạm, đơn giản hóa việc thiết kế phần cứng, giảm chi phí lắp đặt, hạn chế lỗi và việc vận hành bằng tay của con người.
- Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học 2 Trong chuẩn IEC 61850, GOOSE là một kiểu tín hiệu thường được sử dụng khi các IED trao đổi dữ liệu với nhau.
- GOOSE cho phép thiết bị phát tán tín hiệu cảnh báo khi có sự cố trong trạm điện, nó giúp các thiết bị bảo vệ nhận biết được sự cố để phối hợp bảo vệ một cách hiệu quả nhất.
- Sau quá trình nghiên cứu, phân tích tiêu chuẩn IEC 61850 và những ứng dụng của nó trong trạm biến áp cũng như ứng dụng sử dụng tín hiệu GOOSE để phối hợp bảo vệ hệ thống điện, đề tài được chọn là : “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống liên động cho rơ le bảo vệ dựa trên truyền thông qua mạng Ethernet”.
- Thông qua đề tài nhằm tìm hiểu cơ chế hoạt động của các trạm biến áp tự động theo tiêu chuẩn IEC 61850.
- Đồng thời nghiên cứu, tìm hiểu những giao thức truyền dữ liệu hay các mô hình hoạt động trong tiêu chuẩn IEC 61850.
- Kết quả của đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành hệ thống điện, kỹ thuật đo, tự động hóa.
- Đề tài tập trung phân tích chi tiết bản tin GOOSE trong chuẩn IEC 61850 và cách thức phối hợp hoạt động của các thiết bị điện thông minh sử dụng GOOSE.
- Mô hình mô phỏng hoạt động liên động bảo vệ rơ le sử dụng mạng Ethernet thay cho kết nối dây thông thường giúp hiểu rõ hơn về cơ chế truyền thông theo chuẩn IEC 61850.
- Đây là cơ sở để cấu hình được các IED trong trạm có thể trao đổi thông tin với nhau qua mạng Ethernet, sử dụng IEC 61850, bước đầu xây dựng trạm biến áp tự động áp dụng chuẩn IEC 61850.
- 1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu Để giải quyết các vấn đề trên, luận văn đưa ra một số phương pháp nghiên cứu như sau: Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học 3 - Đọc và tìm hiểu về tiêu chuẩn IEC 61850 dựa trên các tài liệu gốc từ trang web www.iec.ch - Nghiên cứu giải pháp về tự động hóa trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEC 61850 của các hãng lớn như ABB.
- Nghiên cứu sử dụng các phần mềm TMW IEC 61850 Test Suite để đọc file cấu hình từ thiết bị điện thông minh, xây dựng cách truyền nhận bản tin GOOSE giữa các phần mềm này, từ đó phân tích bản tin GOOSE.
- Nghiên cứu tính năng của các rơ le bảo vệ sử dụng chuẩn IEC 61850 để lựa chọn vi xử lý phù hợp, có thể mô phỏng lại chức năng của các rơ le này.
- Tìm hiểu bài toán liên động cho rơ le bảo vệ sử dụng kết nối kiểu truyền thống để xây dựng mô hình mô phỏng với kết nối thông qua mạng ethernet.
- Cấu trúc của luận văn gồm các phần như sau: Chương 2: Mô hình trạm biến áp tích hợp chuẩn IEC 61850 Chương 3: Giới thiệu chuẩn IEC 61850 Chương 4: Phân tích bản tin GOOSE trong chuẩn IEC 61850 Chương 5: Mô phỏng hệ thống liên động cho rơ le bảo vệ sử dụng tin nhắn Goose.
- Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học 4 Chƣơng 2 MÔ HÌNH TRẠM BIẾN ÁP THEO TIÊU CHUẨN IEC 61850 2.1 Quá trình phát triển của các kiểu hệ thống trạm biến áp 2.1.1 Hệ thống điều khiển kiểu truyền thống Hình 2.1 Mô hình hệ thống trạm biến áp kiểu truyền thống Các trạm biến áp được xây dựng bao gồm các thiết bị nhất thứ như: máy biến áp, máy cắt, dao cách ly làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng trong hệ thống điện.
- Đi kèm với các thiết bị nhất thứ là hệ thống nhị thứ được lắp đặt nhằm giám sát và điều khiển các thiết bị nhất thứ.
- Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học 5 Hệ thống điều khiển kiểu truyền thống đã được thiết kế và lắp đặt trong trạm biến áp từ hàng trăm năm nay, đặc điểm cơ bản là hệ thống bao gồm các thiết bị cơ điện và tĩnh điện được kết nối với nhau bằng cáp truyền tín hiệu để thực hiện các chức năng riêng biệt như.
- Chức năng bảo vệ hệ thống điện được thực hiện bởi các rơle bảo vệ kiểu cơ điện và kiểu tĩnh điện nối đến các CT và CV bảo vệ, mỗi rơle chỉ đảm nhận một chức năng duy nhất.
- Chức năng giám sát trạng thái được thực hiện bằng các đèn báo, thiết bị chỉ thị.
- Chức năng điều khiển được thực hiện bởi các mạch điều khiển riêng lẻ và chỉ có thể thực hiện được ở mức điều khiển cơ bản.
- Giao diện người sử dụng được thực hiện bằng các bảng điều khiển thông qua các công tắc điều khiển.
- Các thiết bị trong hệ thống được lắp đặt trong các tủ điện và kết nối với nhau bằng cáp nhị thứ (cáp nhiều sợi) và đi trong các rãnh cáp.
- Hệ thống điều khiển truyền thống mặc dù có những ưu điểm như dễ dàng cho người vận hành, độ tin cậy của hệ thống đã được chứng minh trong hành trăm năm qua, việc kết nối giữa các thiết bị trong cùng một hệ thống rất đơn giản.
- Hệ thống phức tạp do có quá nhiều thiết bị, quá nhiều dây truyền tín hiệu, dẫn đến khả năng bị sự cố trên hệ thống nhị thứ rất cao.
- Khả năng tự động hóa thấp, các chức năng điều khiển nâng cao vẫn phải thực hiện bởi con người.
- Nguyễn Tuấn Hùng Luận văn cao học 6 - Việc thu thập dữ liệu phải thực hiện bằng tay, độ chính xác không cao, khả năng phân tích và xử lý dữ liệu bị hạn chế.
- Việc bảo trì và nâng cấp hệ thống rất khó khăn.
- Trong tình hình hiện nay, trước nhu cầu phải gia tăng chất lượng cung cấp điện, giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp điện, đồng thời do độ phức tạp của sơ đồ lưới điện ngày một gia tăng đòi hỏi các thao tác điều khiển ngày càng phức tạp, khả năng đáp ứng các yêu cầu trên của hệ thống điều khiển kiểu truyền thống là không thể thực hiện được.
- 2.1.2 Hệ thống điều khiển tích hợp Hệ thống điều khiển tích hợp tự động hóa trạm biến áp - Integrated Substation Automation Control System hay Integrated Control System – viết tắt là ICS [2].
- Đây hệ thống điều khiển tự động dựa trên cơ sở một hệ thống máy tính được áp dụng tại các trạm biến áp của hệ thống điện nhằm điều khiển, giám sát tự động các thiết bị trong trạm và tích hợp các dữ liệu thu được vào chung một hệ thống để phục cho công tác quản lý vận hành.
- So với trạm biến áp truyền thống, một trạm biến áp thông minh được đặc trưng bởi ba đặc tính cơ bản.
- Tất cả các máy móc chính trạm biến áp (thiết bị chuyển mạch, máy biến áp) được thiết kế với một mức độ tương đối cao của các thiết bị thông minh.
- Tất cả các thiết bị thứ cấp đều được nối mạng

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt