Khai thác hiệu quả hoạt động của switch mạng truyền thông trong ngành điện

Trong bài viết này, chúng tôi đưa ra một số điểm gợi ý để có thể  khai thác đầy đủ tính năng của switch mạng truyền thông công nghiệp được lắp đặt và triển khai trong môi trường trạm điện.

Ngoài các tính năng của các switch mạng nói chung và các switch mạng trong công nghiệp, việc đáp ứng các điều kiện về môi trường làm việc (nơi lắp đặt), chúng ta đề cập rất nhiều về tiêu chuẩn IEC 61850. Tuy nhiên, tiêu chuẩn IEC 61850 tương đối rộng, đây không chỉ đề cập đến vấn đề về giao thức truyền thông trong công nghiệp, tương tự như Modbus, DNP, Profibus. Một số điểm cần lưu ý khi chọn lựa và các kỹ sư thiết lập cấu hình cần lưu ý.

Hình 1– Sơ đồ tổng quát kết nối thiết bị

Chúng ta cần làm rõ về yêu cầu này, đây là yêu cầu chung đối với phần cứng khi lắp đặt trong môi trường trạm điện, chứ không phải là yêu cầu về giao thức.

Hình 2– Thông tin cho IEC 61850-3 đối với phần cứng

Giao thức IT và AT ứng dụng trong việc giám sát tình trạng hoạt động của switch mạng. Chúng ta đều rất quen thuộc với việc áp dụng giao thức SNMP trong IT để giám sát tình trạng hoạt động của các thiết bị trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Tuy nhiên, ngoài các giao thức này ra, các thiết bị truyền thông công nghiệp sẽ hỗ trợ các giao thức như ModbusTCP, EtherNET/IT… và đặc biệt trong trạm điện, bên cạnh IEC 61850-3, các switch còn hỗ trợ giao thức MMS, giúp đơn giản hóa việc giám sát hoạt động của các mạng.

MMS là giao thức theo phần IEC 61850-90-4: Networking Engineering Guidelines (yêu cầu của tiêu chuẩn IEC 61850)

Hình 3– Các giao thức, và ứng dụng truyền loại gói tin theo chức năng

Nếu sử dụng SNMP chúng ta sẽ sử dụng các MIB và các trap để lấy các thông tin:

Hình 4– Thông tin trạng thái của switch PT7528 qua giao thức SNMP

Trong khi đó, trong các trạm điện, chúng ta đã áp dụng tiêu chuẩn truyền tin IEC 61850, và MMS đã được hỗ trợ, do đó, việc sử dụng MMS để giám sát trạng thái của các IED và của thiết bị truyền thông thực sự thuận tiện và hữu ích hơn.

Hình 5- Thông tin trạng thái các cổng bằng MMS

Không chỉ đơn thuần hoạt động như các switch mạng thông thường, thực tế nếu sử dụng các switch mạng dùng trong văn phòng (có hỗ trợ QoS) , chúng ta vẫn có thể kết nối các thiết bị hỗ trợ giao thức IEC 61850, kể cả việc truyền các gói tin GOOSE, Sample Measurement Value (SMV) và gói tin đồng bộ thời gian…

Tuy nhiên, các yêu cầu của các ứng dụng trong trạm điện cần hơn thế, đó là sự ưu tiên của các gói tin khi đi tới và ra khỏi một cổng của switch theo các nhu cầu và mục đích cụ thể: cho điều khiển, cho bảo vệ…

Hình 6– Thời gian yêu cầu truyền các loại gói tin theo IEC 61850-5

Hình 7– Sự khác biệt về chức năng của switch thông thường và switch hỗ trợ IEC 61850 QoS

Hình 8-Thiết lập mức ưu tiên cho các loại gói tin 
đối với switch hỗ trợ IEC 61850 QoS

Sự khác giữa switch mạng thông thường và switch mạng hỗ trợ IEC 61850 QoS: đó là cho phép thiết lập mức độ ưu tiên cho các gói tin mang dữ liệu

Khi xây dựng các hệ thống tự động hóa nói chung và trong ngành điện nói riêng, đặc biệt khi đề cập tới các yêu cầu về thiết lập tính năng dự phòng cho đường truyền dữ liệu, chúng ta thường đang dùng STP, RSTP, MSTP… Tuy nhiên, mỗi cấu trúc này sẽ có thời gian khôi phục đường truyền sau khi bị lỗi với độ trễ như bảng dưới

Hình 9– Thời gian khôi phục đường truyền của một sô cấu trúc mạng

Với thời gian khôi phục này sẽ không thể đáp ứng được yêu cầu trong trạm điện khi áp dụng IEC 61850 để truyền tin. Khi đó chúng ta sẽ đề cập tới PRP (áp dụng cho mạch tia) và HSR (áp dụng cho mạch vòng) , các giao thức này được phát triển dựa trên tiêu chuẩn : IEC 62439-3 Clause 4/5 PRP/HSR

Hình 10– Sơ đồ mạng theo giao thức PRP và HSR

Yêu cầu về thời gian khôi phục đường truyền dữ liệu để đảm bảo việc truyền các gói tin giữa các IED, máy tính  trong trạm điện dựa trên các tính năng như bảng dưới

Để truyền các gói tin trong trường hợp mạng truyền thông bị sự cố, và thời luôn cần thời gian khôi phục >0ms, vậy  phải có sự lựa chọn hợp lý cho các thiết bị truyền tin. Bởi hiện nay, đa phần các relay bảo vệ của các hãng SEL, ABB, SIEMENS, SCHNEIDER-ELECTRIC, GE, và TOSHIBA… đều đã hỗ trợ các giao thức PRP và HSR.

Thực tế, có nhiều loại giao thức (SNMP, ModbusTCP…) và các ứng dụng khác nhau cùng được triển khai và hoạt động. Và để dảm bảo thông suốt trong truyền dữ liệu trên mạng, tránh các nút cổ chai (khi dữ liệu chạy tập trung vào port), khi đó thiết lập VLAN sẽ giải quyết vấn đề này.

Điển hình trong trạm điện gồm các gói tin GOOSE/SMV… hay dữ liệu hình ảnh video của hệ thống an ninh sẽ được truyền trong mạng truyền thông.

Các lợi ích cụ thể khi thiết lập VLAN:

–          Giám các lượng gói tin cho các thiết bị đầu cuối phải xử lý.

–          Khi phân chia thành các nhóm khác nhau, các thành viên (thiết bị) cùng một nhóm sẽ dễ dàng trao đổi dữ liệu khác nhau.

–          Khi các thiết bị IEC ở các nhóm khác nhau, sẽ sử dụng trunking để thiết lập giữa các VLAN

–          Một lợi ích khác, tăng khả năng bảo mật cho mạng.

Hình 11– Thiết lập VLAN trong trạm điện

Ngoài một số ưu điểm này, sản phẩm switch mạng của Moxa cho ứng dụng trong trạm điện còn nhiều tiện ích và chức năng khác như hỗ trợ IEEE 1588v2 (PTP), cấu hình nhanh chóng qua 7 bước, công cụ backup dữ liệu hoặc tập trung giám giám bằng phần mềm MXview,….

 Các sản phẩm tham khảo

PT-7528 series IEC 61850-3 28-port Layer 2 managed rackmount Ethernet switches	PT-7728 series IEC 61850-3 24+4G-port Layer 2 Gigabit modular managed rackmount Ethernet switches	PT-G7509 series IEC 61850-3 9G-port Layer 2 full Gigabit managed rackmount Ethernet switches