Ứng dụng giao thức IEC60870-5-104 cho truyền thông hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển mạng lưới điện nước tại Việt Nam. Hầu hết các hệ thống hiện nay sử dụng giao thức truyền thông IEC60870-5-101. Tuy đáp ứng được nhu cầu đo lường thời gian thực cơ bản, giao thức này vẫn tồn tại nhiều hạn chế. Nắm bắt được nhu cầu cấp thiết về một giải pháp tối ưu hơn, giao thức IEC60870-5-104 ra đời với nhiều ưu điểm vượt trội, hứa hẹn thay thế cho người tiền nhiệm trong tương lai gần. Vậy ứng dụng giao thức IEC60870-5-104 mang lại hiệu quả như thế nào? Hãy cùng Hà Phương khám phá trong bài viết dưới đây!

1. Giới thiệu mô hình kết nối theo giao thức truyền thông theo IEC60870-5-101

IEC 60870-5-101 – IEC 101 là một tiêu chuẩn cho hệ thống giám sát, điều khiển thông tin liên lạc cho việc điều khiển từ xa, bảo vệ xa và viễn thông cho các hệ thống điện. Tiêu chuẩn này thích hợp ứng dụng cho các cấu hình phức tạp như: Đa điểm, nối điểm, hình sao,….

Giao thức IEC60870-5-101 sử dụng kiến trúc hiệu suất nâng cao, được cấu tạo theo ba lớp gồm: lớp vật lý, lớp ứng dụng và lớp liên kết. Mô hình kết nối theo giao thức truyền thông theo IEC60870-5-101 cơ bản của hệ thống SCADA được thực hiện trong dự án 4 thành phố. Phương thức kết nối giữa các hệ thống SCADA và RTU qua hai đường vật lý:

Tín hiệu truyền thông IEC 101 từ RTU tại trạm kết nối hệ thống SCADA của hai đường vật lý:

• Main line: Đây là đường truyền thông chính áp dụng kết nối hạ tầng cáp quang với các thiết bị ghép kênh (PCM) và truyền dẫn (STM4).
• Backup line: Đây là kênh thông tin quang hoặc điện thoại công cộng (Public Switched Telephone Network – PSTN) của các nhà cung cấp dịch vụ.

Ưu điểm của giao thức IEC60870-5-101 là thiết bị thông tin rất đơn giản và chi phí không quá cao. Tuy nhiên, việc chuyển đổi kênh thông tin từ Main line sang Backup line và chuyển đổi thiết bị máy chủ xử lý dữ liệu theo cơ chế (Hot/Standby) được thực hiện thông qua thiết bị chuyển mạch FBS – Fall Back Switch, đem đến nhiều hạn chế như:

• Các kênh truyền thông V24 hoặc 4 W từ RTU /Gateway từ trạm đến hệ thống SCADA cần qua nhiều thiết bị như modem V24/4W, PCM, STM1,4…điều này làm tăng nguy cơ gặp sự cố trên đường truyền. Trên thực tế, thường xuyên xảy ra sự cố trong quá trình vận hành của các thiết bị như Modem, PCM, nguồn DC, thời gian khắc phục sự cố kéo dài do phân cấp quản lý. Phương thức truyền thông bằng dịch vụ PSTN không đảm bảo độ tin cậy.
• Khả năng tương thích của giao thức IEC60870-5-101 với các thiết bị khác khá phức tạp do lớp vật lý của giao thức qua kết nối RS232 thường không hoàn toàn đồng nhất, dẫn đến hiện tượng phát sinh bit lỗi trong các bản tin hay tín hiệu truyền thông không ổn định.
• Hệ thống MicroSCADA quản license IEC101 theo kênh vật lý RS232, nên với tốc độ 9600 bps thì việc kết nối nhiều station trên một line IEC60870-5-101 rất hạn chế để bảo đảm yêu cầu về thời gian thực của tín hiệu. Đồng thời, các tín hiệu đo lường 32 bit (CP56Time2a) đáp ứng rất chậm do kích thước bản tin lớn. Cần thiết phải sử dụng thiết bị đầu cuối khác nhau ở mỗi kênh độc lập. Như vậy, sẽ làm tăng chi phí mua license line.

Cùng xem thêm: Kết nối lưới điện thông minh & trạm biến áp với Teltonika TRB142

2. Giải pháp về ứng dụng kết nối theo giao thức truyền thông IEC 60870-5-104

Giao thức IEC60870-5-104 sử dụng mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở với 5 lớp: ứng dụng, truyền dẫn, mạng, liên kết và vật lý. Thực chất, giao thức này được cải tiến từ giao thức IEC60870-5-101 với những thay đổi trong lớp, vật lý, lớp liên kết, lớp truyền dẫn, và lớp mạng để phù hợp kết nối với Ethernet. Điều này, cho phép truyền dữ liệu đồng thời giữa nhiều thiết bị dịch vụ khác nhau. Nhờ vậy, giao thức IEC60870-5-104 cũng dễ dàng tương thích với hệ thống SCADA với các thiết bị RTU/Gateway của các hãng khác nhau.

Mô hình kết nối theo giao thức truyền thông IEC60870-5-104 được PC TTH thực hiện. Tín hiệu truyền thông giao thức này kết nối từ RTU đến hệ thống SCADA được thực hiện thông qua kênh FE của các thiết bị truyền dẫn, hoặc qua thiết bị chuyển đổi giao diện Main line (E1/FE).

Giao thức IEC60870-5-104 của RTU có thể hỗ trợ từ hai địa chỉ máy chủ trở nên, như vậy phương thức truyền thông dự phòng có thể dễ dàng thực hiện trên các lớp mạng khác nhau. Đường truyền thông dự phòng – Backup line được đề xuất thực hiện qua mạng Internet (3G/GPRS hoặc ADSL), có chi phí thấp.

Dưới đây là một số ưu điểm của giải pháp về ứng dụng kết nối theo giao thức truyền thông IEC 60870-5-104 được đánh giá qua quá trình thử nghiệm tại PCTTH:

• Giao thức IEC60870-5-104 hoàn toàn tương thích với giao thức IEC60870-5-101 về lớp liên kết (link layer) và lớp ứng dụng (application layer), nhờ đó việc xây dựng cơ sở dữ liệu cho các đối tượng điều khiển trên hệ thống  MicroSCADA được giữ nguyên.
• Giao thức IEC60870-5-104 hỗ trợ giao diện kết nối qua cổng Ethernet nên việc trạng bị các thiết bị truyền thông không tốn quá nhiều chi phí, dễ dàng trong quản lý hoặc thuê kênh FE của các nhà cung cấp dịch vụ khác.

• Tốc độ cơ bản của kênh FE là từ 128kb/s đến 2Mb/s, do đó tốc độ đáp ứng tín hiệu của giao thức IEC60870-5-104 tốt hơn giao thức IEC60870-5-101, hỗ trợ các gói tin đo lường 32 bit (CP56Time2a).
• Tất cả các RTU/Gateway tại trạm đều hỗ trợ giao thức truyền thông IEC60870-5-104. Đối với hệ thống MicroSCADA, tốc độ đáp ứng tín hiệu tốt cùng cơ chế quản lý địa chỉ trạm theo địa chỉ IP nên việc ghép nối nhiều station trên một line sẽ giảm bớt được chi phí trong việc đầu tư license cho hệ thống.

3. Giải pháp kết nối SCADA trên nền tảng giao thức IEC60870-5-104 cho các đối tượng trên lưới điện phân phối.

Với phương thức thiết lập mạng ảo trên cơ sở hạ tầng truyền thông Internet (FTTH, ADSL, 3G/GPRS) theo dịch vụ Office WAN của các nhà cung cấp dịch vụ mạng, giải pháp kết nối SCADA trên nền tảng giao thức IEC60870-5-104 cho các đối tượng trên lưới điện phân phối được thiết lập theo các mô hình sau:

3.1. Mô hình kết nối cho các trạm TG 35/22kV

Tại các trạm, RTU được cấu hình giao thức IEC60870-5-104 với địa chỉ IP cùng lớp mạng, tương tự với các địa chỉ Station theo lớp liên kết. Kết nối cổng 10/100 BaseT của RTU với thiết bị ADSL2 , USB36 Load Balancing Router Modem với tống độ 10/100Mb/s thông qua giao thức mạng UDP hoặc TCP. RTU thực hiện chức năng kết nối với các thiết bị chấp hành theo các phương thức tín hiệu I/O hoặc theo một số giao thức phổ biến như Modbus hay DNP3.

Tại DCC, lắp đặt thiết bị Load Balancing Security BroadBand Router có hỗ trợ kết nối đa điểm với Internet băng thông rộng cùng địa chỉ IP tĩnh. Tạo lập mạng riêng ảo VPN theo cơ chế SSH hoặc IPsec thông qua nền tảng dịch vụ OfficeWAN từ nhà cung cấp dịch vụ mạng. Từ thiết bị Load Balancing VPN Router định tuyến địa chỉ IP được cung cấp quan VPN để kết nối với mạng LAN SCADA; thiết lập tường lửa tại bộ định tuyến theo cơ chế kiểm tra trạng thái gói tin, lọc địa chỉ IP hoặc địa chỉ MAC của thiết bị.

Mô hình kết nối này đang được triển khai cho 3 trạm trung gian 35/22kV là Nam Đông, Bình Điền, Bốt Đỏ.

3.2. Mô hình kết nối cho các Recloser bằng giao thức IEC60870-5-104

Tại các Recloser, cấu hình các thông số truyền thông theo giao thức  IEC60870-5-101(thiết lập địa chỉ trạm của các Recloser), thiết lập giao diện RS232 tương thích với giao diện RS232 của Modem IEC60870-5-104 Gateway GPRS. Kết nối cáp tín hiệu từ cổng RS232 của Recloser đến cổng RS232 của modem.Tạo lập chuyển đổi giao thức  IEC60870-5-101 sang IEC104 qua thông qua thiết bị Gateway, tín hiệu truyền thông theo giao thức  IEC60870-5-101(giao diện RS232) được chuyển đổi sang giao thức IEC60870-5-104 theo chuẩn TPC/Ip.

Tại DDC, trang bị M2M Gateway kết nối với Internet qua một Router có cấp phát địa chỉ IP tĩnh. Tạo lập đường truyền VPN qua dịch vụ Office WAN từ thiết bị IEC60870-5-104 Gateway tại các Recloser tới M2M Gateway ở phòng điều khiển theo cơ chế SSH VPN, M2M Gateway được kết nối với mạng cục bộ (LAN) của hệ thống SCADA, được cấp IP cùng lớp của hệ thống.

Khi đó, địa chỉ IP của các Modem từ các Recloser được cấp cùng lớp mạng và được định tuyến lại để cùng lớp với hệ thống mạng cục bộ của SCADA. Cấu hình line IEC60870-5-104 các station tương ứng IP đã được hình thành qua mạng VPN đến các thiết bị IEC60870-5-104 Gateway tại Recloser.

Với cơ chế đồng bộ hoá thời gian từ chuẩn giao thức TCP/IP, giao thức IEC60870-5-104 giải quyết vấn đề đồng bộ hoá của các đối tượng điều khiển khác nhau trên cùng lớp mạng, với đặc điểm này sẽ cho phép kết nối nhiều đối tượng điều khiển khác nhau (các các recloser, RTU) lên cùng một line IEC60870-5-104 mà không gây ra hiện tượng mất đồng bộ do chồng chéo kênh thời gian các đối tượng điều khiển như các giao thức truyền thông nối tiếp (chẳng hạn như: IEC60870-5-101)

Có thể thấy, ứng dụng giao thức IEC60870-5-104 cho truyền thông hệ thống SCADA giúp khắc phục được những hạn chế mà phương thức truyền thông theo giao thức  IEC60870-5-101 chưa tháo gỡ được. Trên nền tảng giao thức mạng TCP/IP, giao thức IEC60870-5-104 cho phép tạo lập truyền thông một cách đơn giản với chi phí thấp, đồng thời dễ dàng triển khai hạ tầng viễn thông của nhà cung cấp dịch vụ mạng.

Bên cạnh đó, cơ chế dự phòng hệ thống và dự phòng truyền thông sẽ dễ dàng được hình thành thông qua tính năng chia sẻ dữ liệu trên không gian mạng. tuy nhiên, yêu cầu về tính bảo mật trong các giải pháp truyền thông là ưu tiên hàng đầu khi khai thác trên hạ tầng truyền thông công cộng.

Lợi ích khi ứng dụng kết nối theo giao thức IEC60870-5-104

Kết quả thử nghiệm tại PCTTH đã chứng minh những ưu điểm nổi bật của giải pháp ứng dụng kết nối theo giao thức IEC 60870-5-104, mang đến hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống:

• Tương thích và tiết kiệm: Giao thức IEC 60870-5-104 hoàn toàn tương thích với giao thức IEC60870-5-101 về lớp liên kết và lớp ứng dụng, giúp bảo toàn cơ sở dữ liệu cho hệ thống MicroSCADA. Giao thức hỗ trợ kết nối qua cổng Ethernet, tiết kiệm chi phí trang bị thiết bị truyền thông và dễ dàng quản lý.
• Tốc độ và hiệu quả: Tốc độ cơ bản của kênh FE từ 128kb/s đến 2Mb/s, cho tốc độ đáp ứng tín hiệu nhanh hơn so với IEC60870-5-101 đồng thời hỗ trợ các gói tin đo lường 32 bit (CP56Time2a) giúp truyền tải dữ liệu hiệu quả hơn.
• Khả năng mở rộng và tối ưu: Giao thức IEC 60870-5-104 hỗ trợ tất cả các RTU/Gateway tại trạm, giúp đơn giản hóa hệ thống, quản lý địa chỉ trạm theo địa chỉ IP, cho phép ghép nối nhiều trạm trên một line, tối ưu hóa chi phí đầu tư license.

Tổng kết

Trên đây là toàn bộ thông tin NPP muốn chia sẻ về ứng dụng giao thức IEC60870-5-104 cho truyền thông hệ thống SCADA. Hy vọng với những chia sẻ trên đây sẽ giúp bạn lựa chọn được mô hình kết nối và giao thức phù hợp với nhu cầu sử dụng, chủ động trong việc trang bị, lắp đặt. Chúc các bạn thành công!