Giao thức IEC 60870-5-103 (IEC 60870-5-103 protocol) là gì?

Phạm vi áp dụng theo điều 1 của tiêu chuẩn

Phạm vi của IEC 60870-5-103 gồm thiết bị bảo vệ có truyền dữ liệu nối tiếp để trao đổi thông tin với hệ thống điều khiển.[2] Tiêu chuẩn không nhất thiết áp dụng cho thiết bị gộp bảo vệ và điều khiển, dùng chung một cổng truyền thông.[2] Phần 103 được đặc tả cho thiết bị bảo vệ đơn chức năng với tập dữ liệu quá trình hạn chế.[3] Nhận định về thiết bị đơn chức năng được trích lại trong sổ tay giao thức rơ le ABB 615.[3] Vì vậy, ABB bổ sung một số phần mở rộng để rơ le đa chức năng dòng 615 dùng được giao thức.[3]

Giao diện thông tin của thiết bị bảo vệ

Giao diện thông tin (informative interface) là giao diện thiết bị bảo vệ dùng để trao đổi dữ liệu với hệ thống điều khiển.[2] Giao diện này không tác động tới chức năng bảo vệ.[2] Cách trao đổi thứ nhất dùng các đơn vị dữ liệu dịch vụ ứng dụng (ASDU) quy định rõ cho bản tin chuẩn hóa.[2] Cách thứ hai dùng dịch vụ chung (generic services) để truyền gần như mọi thông tin.[2] Khi có bản tin định sẵn phù hợp, thiết bị bắt buộc dùng bản tin đó.[2]

Tiêu chuẩn đi kèm (Companion standard) là gì?

Tiêu chuẩn đi kèm (companion standard) bổ sung ngữ nghĩa cho các định nghĩa của tiêu chuẩn nền hoặc của một hồ sơ chức năng.[2] Một thiết bị bảo vệ có thể chỉ hỗ trợ một phần các bản tin chuẩn hóa.[2] Phần được hỗ trợ phải ghi rõ theo điều 8 của tiêu chuẩn để các thiết bị làm việc được với nhau.[2] Danh sách tương thích (interoperability list) theo điều 8 bảo đảm thiết bị của các hãng khác nhau làm việc được với nhau.[9]

Hướng điều khiển và hướng giám sát

Hướng điều khiển (control direction) là hướng truyền từ hệ thống điều khiển tới thiết bị bảo vệ.[2] Hướng giám sát (monitor direction) là hướng truyền từ thiết bị bảo vệ tới hệ thống điều khiển.[2] Trong điều 8, khởi động hỏi chung và đồng bộ thời gian nằm ở hướng điều khiển.[4] Khởi động chung của bảo vệ và bộ giá trị đo nằm ở hướng giám sát.[4]

Phần 103 dựa trên các tiêu chuẩn nền của bộ IEC 60870-5, nên mục tiếp theo trình bày bộ tiêu chuẩn này.

Năm ban hành, bản EN và ban kỹ thuật TC 57

IEC 60870-5-103:1997 là ấn phẩm bản 1.0, phát hành ngày 11/12/1997.[1] Ban kỹ thuật TC 57 về quản lý hệ thống điện và trao đổi thông tin liên quan phụ trách tiêu chuẩn.[1] IEC ghi ngày ổn định (stability date) của ấn phẩm là năm 2026.[1] Bản châu Âu EN 60870-5-103:1998 mang nội dung IEC 60870-5-103:1997.[12] Danh mục của Slovenia ghi thêm bản sửa đổi 1 ở dạng dự thảo, ký hiệu oprA1:2026.[12]

Năm tiêu chuẩn nền IEC 60870-5-1 đến 60870-5-5

Tài liệu viện dẫn của phần 103 gồm IEC 60870-5-1 đến IEC 60870-5-5.[2] IEC 60870-5-1:1990 quy định định dạng khung truyền cho truyền dữ liệu không đồng bộ, kích thước cửa sổ bằng một.[10] IEC 60870-5-2:1992 quy định thủ tục truyền trên liên kết.[13] IEC 60870-5-3:1992 đặt quy tắc sắp xếp đơn vị dữ liệu ứng dụng trong khung truyền.[14] IEC 60870-5-4:1993 quy định định nghĩa và mã hóa các phần tử thông tin ứng dụng.[15] IEC 60870-5-5:1995 quy định các chức năng ứng dụng cơ bản.[16]

Các tiêu chuẩn đi kèm IEC 60870-5-101, 102 và 104

IEC 60870-5-101:2003, bản 2.0, là tiêu chuẩn đi kèm cho các tác vụ viễn điều khiển cơ bản.[17] Phần 101 áp dụng cho việc giám sát và điều khiển các quá trình phân bố rộng về địa lý.[17] Phần 101 có bản hợp nhất IEC 60870-5-101:2003+AMD1:2015, gồm cả sửa đổi 1.[17] IEC 60870-5-102:1996 chuẩn hóa việc truyền tổng tích lũy (integrated totals) của điện năng trao đổi giữa các công ty điện lực.[18] Phạm vi này gồm cả điện năng trao đổi giữa công ty điện lực và nhà sản xuất độc lập.[18] IEC 60870-5-104:2006, bản 2.0, là phần truy cập mạng cho IEC 60870-5-101 dùng các hồ sơ truyền tải chuẩn.[6] Phần 104 có bản hợp nhất IEC 60870-5-104:2006+AMD1:2016, gồm cả sửa đổi 1.[6]

Các tiêu chuẩn nền trên xác định cách xếp lớp của giao thức, nên mục 3 đi vào cấu trúc ba lớp.

Kiến trúc hiệu năng nâng cao EPA

Kiến trúc hiệu năng nâng cao (enhanced performance architecture, EPA) là mô hình ba lớp, so với mô hình bảy lớp đầy đủ của ISO/IEC 7498-1.[2] Mô hình ba lớp cho thời gian đáp ứng nhanh hơn với thông tin quan trọng, đổi lại dịch vụ bị giới hạn.[2]

Lớp vật lý và lớp liên kết

Lớp vật lý dùng hệ cáp quang hoặc hệ dây đồng, cho truyền dẫn nhị phân đối xứng và không nhớ.[2] Lớp liên kết gồm các thủ tục truyền dùng thông tin điều khiển giao thức liên kết (LPCI) tường minh.[2] Các thủ tục này mang ASDU làm dữ liệu người dùng của liên kết.[2] Danh mục chữ viết tắt của phần 103 có bit đếm khung FCB, bit FCB hợp lệ FCV và bit điều khiển luồng dữ liệu DFC.[2]

Lớp ứng dụng không dùng APCI

Lớp ứng dụng gồm các chức năng ứng dụng truyền ASDU giữa nguồn và đích.[2] Lớp ứng dụng của phần 103 không dùng thông tin điều khiển giao thức ứng dụng (APCI) tường minh.[2] Phần 103 chỉ dùng chế độ 1, gửi octet có trọng số thấp nhất trước, theo mục 4.10 của IEC 60870-5-4.[19] Quy định chế độ 1 được trích lại trong danh sách tương thích REG-PE(X) của A. Eberle.[19]

Mục 4 trình bày lớp vật lý: cáp quang, RS-485 và tốc độ truyền.

Cáp quang hoặc dây đồng RS-485

EIA RS-485 là chuẩn đặc tính điện của bộ phát và bộ thu cho hệ thống số nhiều điểm cân bằng.[2] Cách đi dây bus RS-485 được trình bày ở bài RS485. Cổng COM của rơ le ABB 615 cài được kiểu kết nối quang ST hoặc EIA-485.[3]

Đầu nối quang trong tiêu chuẩn

Hệ cáp quang của phần 103 theo IEC 60874-2 hoặc IEC 60874-10, cùng IEC 60794-1 và IEC 60794-2.[2] IEC 60874-2 quy định đầu nối quang kiểu F-SMA, còn IEC 60874-10 quy định đầu nối kiểu BFOC/2,5.[2] Điều 8 có các mục chọn cáp quang thủy tinh, cáp quang nhựa và hai kiểu đầu nối này.[4] Trên rơ le SIPROTEC 5, giao thức IEC 60870-5-103 chạy được trên mô-đun quang nối tiếp tầm ngắn có 2 kết nối.[20]

Tốc độ truyền 9600 và 19200 bit/s

Tốc độ truyền của IEC 60870-5-103 được định nghĩa là 9600 hoặc 19200 baud.[3][4] Điều 8 của tiêu chuẩn có hai mục chọn tốc độ là 9 600 bit/s và 19 200 bit/s.[4] Rơ le ABB 615 cho phép tăng tốc độ nối tiếp tới 115,2 kbaud.[3] Cổng RS485 của Huawei SmartLogger3000A chọn được 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 hoặc 115200 bps.[5] Đơn vị baud được giải thích ở bài Tốc độ baud.

Cài đặt khung ký tự trên rơ le

Rơ le ABB 615 dùng khung ký tự gồm 1 bit khởi đầu, 8 bit dữ liệu, parity chẵn (even parity) và 1 bit dừng.[3] Rơ le chạy được tối đa hai phiên IEC 60870-5-103, tức phục vụ hai trạm chủ song song.[3] Mỗi phiên có bộ đệm sự kiện cấp 1 độc lập.[3]

Trên đường truyền vật lý đó, trạm chủ và thiết bị bảo vệ trao đổi theo chế độ không cân bằng ở mục 5.

Trạm chủ hỏi vòng từng thiết bị

Ở chế độ không cân bằng, trạm chủ phải hỏi vòng (poll) tuần hoàn mọi IED trên mạng, theo sổ tay giao thức rơ le ABB 615.[3] IED (intelligent electronic device) là thiết bị điện tử thông minh, đối tượng truyền thông của bộ IEC 61850.[7] Kiểu nối của phần 103 là đường dây chung (party line) hoặc điểm nối điểm.[9] Danh sách tương thích của A. Eberle REG-PE(X) có mục một địa chỉ chung của ASDU, trùng với địa chỉ trạm.[19]

Hỏi vòng dữ liệu cấp 1 và cấp 2

Trên rơ le ABB 615, sự kiện thay đổi được gửi dưới dạng dữ liệu cấp 1 (Class 1); mỗi lần hỏi vòng cấp 1 chỉ chuyển được một sự kiện.[3] Giá trị đo của rơ le này được gửi thành một bộ dữ liệu cấp 2 (Class 2), gọi là khung giá trị đo cấp 2.[3] Trong danh sách REG-PE(X), bộ giá trị đo chỉ được gửi khi một giá trị trong khối thay đổi.[19]

Tràn bộ đệm sự kiện và lệnh hỏi chung

Bộ đệm sự kiện cấp 1 của rơ le ABB 615 chứa 500 sự kiện.[3] Khi tràn, bộ đệm giữ lại các sự kiện cũ nhất.[3] Chỉ báo tràn mặc định mang FUN = 10, INF = 255.[3] Trạm chủ nên khởi động lệnh hỏi chung (general interrogation, GI) mỗi khi rơ le ABB 615 báo tràn bộ đệm sự kiện cấp 1.[3] Giao diện vận hành tại trạm được trình bày ở bài Giao diện người máy HMI.

Mỗi điểm dữ liệu trong bảng điểm rơ le mang mã định danh FUN và INF,[22] nội dung của mục 6.

Kiểu chức năng (Function type) và số thông tin (Information number)

Kiểu chức năng được định nghĩa ở mục 7.2.5.1, số thông tin ở mục 7.2.5.2 của IEC 60870-5-103.[21] Trong bảng điểm của rơ le ABB REF615, cột FUN và cột INF ghi giá trị mặc định của từng điểm.[22] Điều 8 gán số thông tin 84 cho khởi động chung (general start/pick-up).[4][19] Số thông tin 148 là bộ giá trị đo IL1,2,3, VL1,2,3, P, Q, f.[4][19]

Dải tương thích và dải riêng

Dải tương thích (compatible range) là dải chuẩn cho mọi nhà sản xuất dùng.[2] Dải riêng (private range) là dải nhà sản xuất được dùng cho mục đích riêng.[2] Các dải riêng được giữ lại vì lý do tương thích, nhưng không khuyến nghị cho ứng dụng mới.[2] Danh mục chữ viết tắt còn có GEN là kiểu chức năng chung và GLB là kiểu chức năng toàn cục.[2]

Rơ le đa chức năng và kiểu thiết bị riêng

Rơ le ABB 615 là IED đa chức năng, nên kiểu thiết bị được đặt mặc định là kiểu chức năng riêng 9.[3] Trên rơ le này, giá trị kiểu chức năng của thiết bị tự gán cho mọi điểm dữ liệu có FUN bằng 0.[3][22]

Ví dụ đọc bảng điểm IEC 60870-5-103 của rơ le REF615

Bảng điểm REF615 bản C ghi điểm khởi động cấp thấp (Low stage Start) của khối quá dòng PH(3)LPTOC1.[22] Các bước đọc điểm này như sau.

1. Cột FUN: giá trị 162 là kiểu chức năng mặc định của điểm.[22]
2. Cột INF: giá trị 84 trùng với số thông tin khởi động chung trong điều 8.[22][4]
3. Cột ASDU: giá trị 2; trong bảng điểm, ASDU 1 và 2 là chỉ thị theo hướng giám sát.[22]
4. Cột GI: giá trị 1 nghĩa là điểm được bật trong lệnh hỏi chung.[22]
5. Điểm tác động cấp thấp (Low stage Operate) có FUN 162, INF 90, ASDU 2 và GI bằng 0, tức tắt trong lệnh hỏi chung.[22]

Cột ASDU trong ví dụ cho biết kiểu bản tin chở điểm dữ liệu, nên mục 7 trình bày các ASDU.

ASDU và mã nhận dạng kiểu

Kiểu ASDU được định nghĩa ở mục 7.3.1 và 7.3.2, nguyên nhân truyền (COT) ở mục 7.2.3 của IEC 60870-5-103.[21] Danh mục chữ viết tắt ghi TYP là mã nhận dạng kiểu (type identification) và COT là nguyên nhân truyền (cause of transmission).[2]

Chỉ thị ASDU 1, ASDU 2 và giá trị đo ASDU 3, ASDU 9

Hai kiểu ASDU cho chỉ thị theo tiêu chuẩn là ASDU 1 và ASDU 2, như được trích lại trong sổ tay giao thức rơ le ABB 615.[3] Trong tài liệu driver của Elipse Software, ASDU 1 và 2 là điểm số có thông tin thời gian, ASDU 4 là điểm tương tự có thông tin thời gian.[8] Giá trị đo được truyền bằng ASDU 3 và ASDU 9.[4][8] Trên rơ le ABB 615, giá trị đo được mã hóa thành số có dấu 13 bit trong dải từ -1 đến +1; giá trị vượt dải bật cờ tràn.[3] Giá trị lớn nhất của MVAL bằng 1,2 hoặc 2,4 lần giá trị định mức.[4][3] Không được dùng hai mức định mức khác nhau cho ASDU 3 và ASDU 9.[4] Giả định hệ số 2,4 và dòng định mức 5 A, mã +1 ứng với 2,4 × 5 = 12 A.[3]

Lệnh điều khiển ASDU 20

Trên rơ le ABB 615, thao tác điều khiển từ xa dùng kiểu ASDU 20 theo tiêu chuẩn.[3] Điểm vị trí máy cắt của REF615 mang FUN 240, INF 160, kiểu ASDU 1 và 20.[22] Máy cắt trên rơ le ABB 615 chỉ điều khiển được bằng lệnh trực tiếp ĐÓNG/CẮT (DIRECT ON/OFF).[3] Sáu nhóm cài đặt của rơ le ứng với các số thông tin chuẩn 23 đến 28.[3]

Hỏi chung và đồng bộ thời gian

Trong điều 8, số thông tin 0 theo hướng điều khiển là khởi động hỏi chung.[4][19] Số thông tin 0 theo hướng giám sát là kết thúc hỏi chung.[4][19] Rơ le ABB 615 hỗ trợ đồng bộ thời gian qua IEC 60870-5-103.[3] Rơ le chỉ nhận bản tin đồng bộ khi nguồn thời gian chung được đặt ở chế độ IEC 60870-5-103.[3]

Ngoài chỉ thị, giá trị đo và lệnh, phần 103 còn có thủ tục cho dữ liệu nhiễu loạn và dịch vụ chung ở mục 8.

Dữ liệu nhiễu loạn và nhãn

Nhãn (tag) là tín hiệu nhị phân được ghi và truyền đi cùng dữ liệu nhiễu loạn (disturbance data).[2] Danh mục chữ viết tắt có TOV là kiểu giá trị nhiễu loạn và SDV là một giá trị nhiễu loạn đơn.[2] Số thông tin 31 mang tên truyền dữ liệu nhiễu loạn; rơ le Siemens 7SG11 ghi mục này là không hỗ trợ.[21] Rơ le ABB 615 hỗ trợ tệp nhiễu loạn IEC 60870-5-103.[3]

Kênh ACC và tệp ghi nhiễu loạn

Trên rơ le ABB 615, tám kênh chuẩn mang định danh kênh thực ACC (actual channel) từ 1 đến 8.[3] Số kênh riêng bắt đầu từ ACC 64.[3] Rơ le giữ tối đa tám tệp ghi nhiễu loạn để đọc qua IEC 60870-5-103.[3] Việc đọc tệp là truy cập ngẫu nhiên, trạm chủ chọn đúng phần thông tin cần đọc.[3] Trong REF615, lệnh kích ghi nhiễu loạn từ xa mang FUN 10, INF 41, kiểu ASDU 20.[22] Định dạng tệp cho dạng sóng quá độ và sự kiện của hệ thống điện là COMTRADE theo IEC 60255-24:2013.[23]

Dịch vụ chung (Generic services)

Dịch vụ chung dùng đối tượng dữ liệu chung để truyền gần như mọi thông tin theo cả hai hướng.[2][9] Danh mục chữ viết tắt có GGI là hỏi chung dữ liệu chung và GDD là mô tả dữ liệu chung.[2] Phụ lục B của tiêu chuẩn đưa ví dụ ASDU cho các chức năng chung.[2] Trong danh sách tương thích REG-PE(X), số thông tin 245 là kết thúc hỏi chung dữ liệu chung.[19]

Mục 9 trình bày ứng dụng của phần 103 và so sánh với IEC 60870-5-104, IEC 61850.

IEC 60870-5-103 trong hệ thống điện mặt trời

Phần truyền thông trong datasheet của bộ ghi dữ liệu Huawei SmartLogger3000A in các dòng sau.[5]

```

RS485 COM x 3, 1200 / 2400 / 4800 / 9600 / 19200 / 115200 bps, 1000 m

RS485 Modbus-RTU, IEC 60870-5-103 (standard), DL / T645

Ethernet Modbus-TCP, IEC 60870-5-104

```

Dòng thứ hai cho biết cổng RS485 hỗ trợ IEC 60870-5-103.[5] Bộ ghi dữ liệu này quản lý tối đa 80 thiết bị kết nối.[5] Các giao thức truyền thông khác được trình bày ở bài Giao tiếp. Điều khiển công suất và sạc xả của nhà máy thuộc bài Hệ thống quản lý năng lượng EMS.

So sánh với IEC 60870-5-104

Phạm vi của phần 104 là giám sát và điều khiển các quá trình phân bố rộng về địa lý.[6] Phạm vi của phần 103 là thiết bị bảo vệ và hệ thống điều khiển trong một trạm biến áp.[1][2] Trên Huawei SmartLogger3000A, IEC 60870-5-103 chạy trên RS485, còn IEC 60870-5-104 chạy trên Ethernet.[5] Cấu trúc hệ giám sát điều khiển được trình bày ở bài SCADA.

So sánh với IEC 61850

Bộ IEC 61850 áp dụng cho hệ tự động hóa điện lực và định nghĩa truyền thông giữa các IED trong hệ đó.[7] Phần 8-1 của IEC 61850 ánh xạ sang MMS và ISO/IEC 8802-3.[24] IEC 61850 được kỳ vọng dùng cáp quang thay dây đồng và nối dây Ethernet tới nhiều IED.[11] Phần 80-1 hướng dẫn trao đổi thông tin từ mô hình dữ liệu IEC 61850 qua IEC 60870-5-101/104.[24] Trên rơ le ABB 615, dữ liệu cấp 1 của IEC 60870-5-103 được chọn từ tập dữ liệu IEC 61850.[3]

Bảng so sánh ba giao thức

IEC TR 61850-1:2013 đã được IEC thay bằng IEC TR 61850-1-1:2026.[7]

Bảo mật theo IEC 62351-5

IEC 62351-5:2023 quy định bảo mật cho IEC 60870-5 và các giao thức dẫn xuất.[25] Tiêu chuẩn định nghĩa cơ chế truyền thông an toàn của hồ sơ ứng dụng (A-profile), gồm bản tin, thủ tục và thuật toán.[25] IEC 62351-5:2023 thay thế bản đặc tả kỹ thuật IEC TS 62351-5 năm 2013.[25]

Mục 10 tổng hợp các câu hỏi thường gặp về giao thức.