Mạng Ethernet trong các ứng dụng tự động hóa trạm biến áp

Bài báo này xem xét các vấn đề và yêu cầu chính đối với mạng Ethernet trong môi trường trạm biến áp và đối với các ứng dụng tự động hoá trạm biến áp yêu cầu tính năng thời gian thực. Các chủ đề cụ thể được đề cập đến là: hiện tượng nhiễu điện từ (EMI) và các điều kiện khí quyển trong trạm biến áp có thể ảnh hưởng đến tính năng của mạng, các tiêu chuẩn mới của IEC và IEEE qui định các yêu cầu mới về EMI và về môi trường, đặc biệt cho các mạng truyền thông (ví dụ mạng Ethernet) trong trạm biến áp, các đặc tính Layer 2 quan trọng của bộ phân chia mạng Ethernet (Ethernet switching hub) hiện đại giúp nâng cao tính năng ổn định thời gian thực cũng như các kiến trúc vòng có thể chịu được lỗi và dư thừa mạng.

Hình 1: Các tiêu chuẩn tham chiếu trong IEC 61850-3

Yêu cầu miễn nhiễm nhiễu điện từ

Bảng 1. Danh mục thử nghiệm điển hình về miễn nhiễm EMI điển hình cho thiết bị mạng được đặt trong buồng IED bảo vệ của hình 2

Việc sử dụng phổ biến các IED dùng mạng Ethernet trong tự động hoá trạm biến áp đã tăng lên đáng kể trong vài năm qua. Nếu chỉ tính các thiết bị rơle bảo vệ thì đã có tới 9 hãng chào bán truyền thông mạng Ethernet với các thiết bị IED của họ. Các hãng bán công tơ, thiết bị đầu cuối (RTU), thiết bị logic khả trình (PLC) dùng trong tự động hoá trạm biến áp, cũng phản ánh xu thế này. Yêu cầu chính của hầu hết các IED trạm biến áp, ví dụ như rơle bảo vệ, đó là chúng phải vận hành đúng (tức là không được “thao tác sai”) khi chịu ảnh hưởng của đủ kiểu hiện tượng EMI thường gặp trong trạm biến áp. Các tiêu chuẩn như IEEE C37.90.x và IEC 60255 qui định nhiều dạng thử nghiệm chịu đựng được thiết kế để mô phỏng hiện tượng EMI, ví dụ như đóng cắt phụ tải cảm kháng, sét đánh, phóng điện tĩnh điện do sự tiếp xúc của con người, nhiễu tần số rađiô do nhân viên sử dụng máy thu phát cầm tay, tăng điện thế đất do dòng sự cố lớn trong trạm biến áp và nhiều hiện tượng EMI khác thường gặp trong trạm biến áp. Điều này cũng đúng với thiết bị mạng LAN trong trạm (tức là khoá chuyển đổi mạng Ethernet). Thường thì khoá chuyển đổi mạng Ethernet được cài đặt trong cùng khoang hoặc thậm chí trên cùng giá đỡ với các IED rơle bảo vệ. Vì vậy, thiết bị mạng Ethernet cần phải “được bảo vệ cấp trạm biến áp”, theo góc độ miễn nhiễm EMI, ngang mức với các IED rơle bảo vệ.

Tiêu chuẩn IEC 61850-3 mạng và hệ thống truyền thông trong trạm biến áp

Bảng 2. Các yêu cầu miễn nhiễm EMI theo P1613, dựa trên IEEE C37.90.x Thử nghiệm điển hình

Để chấp nhận những yêu cầu nói trên, tháng 1 năm 2002, Ủy ban Kỹ thuật điện Quốc tế (IEC) đã ban hành tiêu chuẩn mới mang tên: IEC 61850-3 Mạng và hệ thống truyền thông trong trạm biến áp – Phần 3: Yêu cầu chung. Chương 5.7 của tiêu chuẩn này nêu các yêu cầu về miễn nhiễm EMI đối với thiết bị truyền thông lắp đặt trong trạm biến áp. Nhìn chung, tiêu chuẩn đề ra mức cao hơn so với các yêu cầu miễn nhiễm đối với thiết bị trong các môi trường công nghiệp, khi khẳng định: “Các yêu cầu chung về miễn nhiễm đối với môi trường công nghiệp được xem là không đủ đối với trạm biến áp. Do vậy, các yêu cầu cụ thể được nêu trong tiêu chuẩn IEC 61000-6-5…”

Tiêu chuẩn IEC 61000-6-5: “Tiêu chuẩn chung - Miễn nhiễm đối với các môi trường nhà máy điện và trạm biến áp” qui định các yêu cầu miễn nhiễm EMI. Chi tiết về các yêu cầu này và các loại qui trình thử nghiệm điển hình được đưa ra tại các phần của bộ tiêu chuẩn IEC 61000-4-x. Hình 1 cho thấy mối quan hệ giữa tiêu chuẩn IEC 61850-3, IEC 61000-6-5, bộ tiêu chuẩn IEC 61000-4-x và các tiêu chuẩn tham chiếu khác.

Tiêu chuẩn IEC 61000-6-5 qui định các chủng loại cổng. “Cổng” được định nghĩa là “giao diện cụ thể của thiết bị được nêu với môi trường điện từ ngoài”.

Có 5 chủng loại cổng được định nghĩa:

1. Cổng vỏ máy (điển hình là vỏ thiết bị).

2. Cổng tín hiệu (kết nối tới thiết bị tại chỗ, từ trường, cáo áp, hoặc viễn thông).

3. Các cổng công suất vào và công suất ra hạ áp xoay chiều.

4. Các cổng công suất vào và công suất ra hạ áp một chiều.

5. Cổng nối đất làm việc.

Ngoài các định nghĩa “cổng”, tiêu chuẩn IEC 61000-6-5 cũng định nghĩa các chủng loại vị trí:

G = nhà máy điện và trạm biến áp trung áp.

H = trạm biến áp cao áp.

P = khu vực “được bảo vệ”, nếu có.

Kết nối cổng tín hiệu cũng được định nghĩa:

L = kết nối tại chỗ

f = kết nối từ trường

h = kết nối tới thiết bị cao áp

t = viễn thông

p = kết nối trong khu vực được bảo vệ

Hình 2 thể hiện một trạm biến áp điển hình được xác định về mặt vị trí và các kết nối cổng tín hiệu. Các thử nghiệm cụ thể của IEC 61000-4-x và các mức thử nghiệm tương ứng được qui định cho từng loại cổng (ví dụ vỏ máy, công suất, tín hiệu) dựa trên vị trí thiết bị (ví dụ H = Trạm cao áp, G = Nhà máy điện hoặc trạm trung áp) và các loại kết nối tín hiệu (ví dụ cục bộ, từ trường, cao áp, viễn thông, bảo vệ) trong trường hợp các loại cổng tín hiệu. Bảng 1 liệt kê danh mục các loại thử nghiệm điển hình và các mức thử nghiệm đối với thiết bị mạng đặt trong buồng bảo vệ tại trạm trung áp nêu trên hình 2.

Hình 2: Vị trí trạm biến áp trung áp và các loại kết nối cổng tín hiệu.

Yêu cầu về môi trường và thử nghiệm đối với thiết bị mạng truyền thông trong trạm biến áp

Tiêu chuẩn IEEE P1613 đối với thiết bị mạng trong trạm biến áp chấp nhận và thích ứng các thử nghiệm điển hình về miễn nhiễm EMI áp dụng cho các IED rơle bảo vệ đã được xác định trong các tiêu chuẩn IEEE C37.90.x quen thuộc. Bảng 2 tóm tắt các thử nghiệm và các mức thử nghiệm yêu cầu, phù hợp với IEEE P1613.

P1613 cũng xác định hai cấp thiết bị viễn thông khác nhau. Các thiết bị cấp 1 phải chịu được các thử nghiệm điển hình được qui định tại bảng 2 mà không bị hư hại hay phải đặt lại nhưng được phép mắc lỗi truyền thông trong thời gian đặt các thử nghiệm điển hình này. Tuy nhiên các thiết bị cấp 2 phải đáp ứng các yêu cầu như đối với các thiết bị cấp 1, với điểm khác biệt là không có lỗi truyền thông, trễ hoặc gián đoạn xảy ra trong thời gian đặt các thử nghiệm điển hình được qui định tại bảng 2.

Thiết bị mạng cấp 2 nhằm đạt được mức tính năng ngang với các thiết bị bảo vệ rơle trong thời gian ứng suất EMI cao, có thể xảy ra khi hệ thống điện bị sự cố.

Yêu cầu về môi trường