Xây dựng trạm biến áp theo chuẩn IEC 61850

Mạng Ethernet chuẩn IEC 61850 áp dụng một phương thức phân nhóm quản lý chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service) thông minh để đảm bảo những dữ liệu quan trọng nhất được ưu tiên hàng đầu trong quá trình truyền dẫn.

Tiêu chuẩn QoS

Tiêu chuẩn QoS ưu tiên các gói tin dựa trên cổng cấu hình và cấp độ hàng chờ của chúng. Mọi gói tín trong một hàng chờ được truyền đi theo cơ chế FIFO (first-in-first-out – vào trước ra trước) mà không cần phải kiểm tra kiểu dữ liệu. Ví dụ, với phương thức này. Ví dụ, các gói tin GOOSE với mức độ ưu tiên cao nhất vẫn phải được truyền đi sau các dạng dữ liệu khác.

IEC 61850 QoS

Trong truyền thông trong trạm biến áp IEC 61850, GOOSE, SMV, và PTP là ba dạng dữ liệu quan trọng với mức độ ưu tiên cao. Để đảm bảo những bản tin này không bị mất, chúng phải được ưu tiên truyền đi dù cho các gói tin khác đang xếp trước trong hàng chờ của hệ thống mạng. Khi một hàng chờ IEC 61850 được sử dụng, switch Ethernet hiểu tầm quan trọng của các gói tin GOOSE, SMV, và PTP do đó luôn ưu tiên những gói tin này trong hàng đợi.

Công nghệ VLAN được sử dụng để nhóm các thiết bị mạng theo địa chỉ IP thay vì theo vị trí vật lý. Các thiết bị dù ở bất kỳ vị trí nào trong trạm biến áp đều có thể được chỉ định thuộc cùng một mạng LAN ảo (“virtual” LAN – viết tắt VLAN) trong khi đó hai thiết bị đặt cạnh nhau có thể thuộc hai mạng VLAN khác nhau. VLAN mang lại cho hệ thống mạng trạm biến áp những lợi ích sau:

Giảm thiểu lưu lượng trên đường trục chính

Có thể hạn chế lưu lượng của domain mạng bằng cách nhóm các thiết bị mạng vào VLAN cụ thể nhằm tránh nút thắt cổ chai tiềm tàng trên đường trục chính.

Lọc lưu lượng thông tin

Thiết bị mạng được chỉ định thuộc một VLAN riêng biệt sẽ lọc những gói tin gửi từ thiết bị khác không cùng một VLAN. Điều này khá đơn giản nhưng mang lại hiệu quả cao giúp phân tách lưu lượng thông qua hệ thống mạng.

Nâng cao hiệu suất hoạt động của thiết bị

Thiết bị ở điểm cuối của hệ thống mạng chỉ xử lý gói thông tin từ mạng VLAN của mình do đó giảm thiểu đáng kể số lượng bản tin mỗi thiết bị cần xử lý.

Truyền thông chính xác

Trong trạm biến áp đòi hỏi đồng bộ thời gian chính xác để đảm bảo đồng hồ của các thiết bị đo kết nối với lưới điện được chính xác. Tính chính xác của đồng hồ được tham chiếu tới tiêu chuẩn quốc gia và có thể thay đổi từ mili giây tới micro giây tùy thuộc vào ứng dụng.

Thất thoát bất kì gói tin nào đều không thể chấp nhận được trong truyền thông trạm biến áp. Đảm bảo độ tin cậy khi truyền những gói tin quan trọng là điều thiết yếu của mọi trạm biến áp. Làm thế nào để giảm thiểu tình trạng thất thoát gói tin do hiện tượng nhiễu điện từ trong trạm?

Thiết bị mạng đáp ứng chuẩn IEEE 1613 Class 2 – tiêu chuẩn tối thiểu để đảm bảo truyền thông tin cậy trong môi trường nhiễu điện từ như trạm biến áp. Công nghệ NoiseGuard™ của Moxa giúp bảo vệ tốt hơn so với yêu cầu của chuẩn IEEE 1613 Class 2, đảm bảo không bị thất thoát bất kì gói tin nào.

NoiseGuard™ sử dụng thiết kế cơ học tối ưu cộng với lớp vỏ thiết bị tích hợp cho khả năng truyền dẫn tốt hơn. Các thành phần tùy chọn có thể gồm bộ phát tín hiệu quang và thiết kế mạch điện với cải tiến tối ưu.

Tổng quan 2

Làm thế nào dự đoán được những sợi quang sắp hết tuổi thọ giúp các kỹ sư kịp thời thay thế trước khi chúng không hoạt động được nữa?

Hiệu suất hoạt động của cổng quang được tính bằng khoảng thời gian cổng này hoạt động tốt.

Để tránh các sợi quang gặp sự cố cần có một thiết bị dự đoán trước lỗi. Hầu hết các giải pháp hiện nay chỉ hỗ trợ giám sát sợi quang SFP. FiberCheckTM của Moxa có thể sử dụng cho các switch trong trạm biến áp để giám sát các dạng đầu nối ST/SC cũng như SFP và thông báo cho hệ thống SCADA thông qua SNMP hoặc MMS khi phát hiện vấn đề bất thường, giúp các vận hành viên nhanh chóng tiến hành bảo trì.

Báo cáo và cảnh báo có thể được gửi đi đi bằng một trong các cách sau: cổng mạng, cổng điều khiển serial, CLI, báo cáo MMS, rơ le số, SNMP traps, các mục được ghi trong lịch sử của hệ thống. Năng lượng, nhiệt độ và  dòng điện được truyền tải dọc theo các kết nối quang sợi trong thời gian thực.

Tổng quan 3

Các dữ liệu quan trong phải được truyền qua process bus với độ trễ tối đa 4ms (liên động IED). Công nghệ dự phòng nào có thể đáp ứng được yêu cầu này?

Các nhà thiết kế sẽ phải xem xét tới yếu tố giá thành khi nâng cấp lên nền tảng truyền thông Ethernet đáp ứng các yêu cầu về dự phòng. Trên thực tế không tồn tại một giải pháp chuẩn và chi phí sẽ phụ thuộc vào loại giải pháp được lựa chọn.

Giải pháp dự phòng không gián đoạn – PRP/HSR của Moxa đáp ứng chuẩn IEC 62443-3. Đây là một giải pháp tích hợp, có khả năng mở rộng cho hạ tầng truyền thông và nền tảng quản lý.
Tổng quan 4 
Yếu tố quan trọng để đảm bảo độ tin cậy trong hoạt động quản lý trạm biến áp là sự hoạt động ổn định của hệ thống. Tuy nhiên khi hệ thống không ổn định, bằng cách nào để khôi phục lại trạng thái bình thường của nó một cách nhanh nhất có thể?

Các kỹ sư thường gặp trở ngại bởi ít am hiểu về domain và không quen với qui trình khôi phục gồm nhiều bước.

Moxa Smart Recovery™ là một công cụ phục hồi tự động nền BIOS cho phép các kỹ sư kích hoạt quá trình khôi phục OS một cách tự động nhằm giảm thiểu thời gian gián đoạn.

Công cụ hồi phục hoàn toàn tự động

Thiết kế đặc biệt cho các trạm điều khiển từ xa hoặc không người trực, có thể tự kích hoạt quá trình khôi phục.

Quá trình khôi phục thủ công trải qua hai bước

Hỗ trợ quá trình khôi phục đơn giản chỉ với 2 bước bằng công cụ hoặc sử dụng thiết bị lưu trữ USB giúp các kỹ sư nhanh chóng phục hồi hệ điều hành

Tổng quan 5

Làm sao để cải thiện hiệu suất hoạt động của CPU, dung lượng bộ nhớ khả dụng, dung lượng lưu trữ và nhiệt độ của hệ thống? Những yếu tố này có thể gây ảnh hưởng tới việc quản lý và giám sát thời gian thực.

Proactive Monitoring là một công cụ hiển thị tiên tiến của Moxa cho các máy tính công nghiệp, cho phép giám sát tình trạng của máy tính thông qua việc theo dõi tình trạng sử dụng CPU, bộ nhớ khả dụng, phân vùng ổ cứng, nhiệt độ vận hành của CPU và bo mạch chủ, giám sát nguồn điện dự phòng, kích hoạt rơ le đầu ra cung cấp các cảnh báo bằng âm thanh hoặc hình ảnh. Ngoài ra có thể cấu hình công cụ để kích hoạt những cảnh báo dựa trên các tiêu chuẩn do người dùng định nghĩa.

Tổng quan 6

Môi trường trạm biến áp với nhiệt độ khắc nghiệt từ -40 đến 75°C, bụi bẩn có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của các máy tính.

Máy tính làm mát CPU nhờ quạt không hoạt động được trong những điều kiện trên. Nhiều trạm biến áp chuyển sang sử dụng máy tính không quạt để hoạt động trong môi trường khắc nghiệt của trạm biến áp.

Máy tính ở trạm biến áp cần được cách ly với môi trường bên ngoài và không sử dụng bất cứ loại quạt nào. Không có quạt giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của máy tính, giúp máy tính có thể hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ cực đoan ở các trạm biến áp.

Vì vậy, các kỹ sư phải thiết kế để các bảng mạch có nhiệt độ cao nhất phải được đặt tại trung tâm của máy tính, giúp có thể tản đi ngay lập tức một lượng nhiệt lớn nhất có thể. Với các hệ thống không quạt, thông thường toàn bộ phần vỏ ngoài thiết bị được sử dụng như một tản nhiệt lớn, với khe tản nhiệt, chiều cao, độ dày và các điểm tiếp xúc được tinh chỉnh cẩn thận để tối ưu hóa khả năng tản nhiệt.

Những yếu tố trên cần được đánh giá và điều chỉnh một cách thận trọng để đạt hiệu quả tản nhiệt tối đa. Điều đó có nghĩa là thiết kế một máy tính hoàn toàn không quạt là một thách thức kỹ thuật không nhỏ, với chi phí lớn hơn máy tính có quạt. Nhưng chí phí tăng thêm là hoàn toàn hợp lý bởi sử dụng máy tính không quạt giúp tăng cường độ tin cậy, giảm thiểu kích cỡ, sự phức tạp, chống chịu tốt hơn với bụi bẩn, nhiệt độ và sự ăn mòn.

Cấu hình chính xác các thiết bị mạng là một điều khó khăn với các kỹ sư trạm biển áp, bởi cấu hình không chính xác có thể khiến hạ tầng truyền thông không ổn định và hoạt động sai chức năng.

Tiện ích cấu hình trạm (Substation Configuration Wizard) độc quyền của Moxa có thể giải quyết được khó khăn này. Trạm biến áp là một môi trường đặc biệt, cài đặt IT sẽ chỉ yêu cầu một vài đặc tính chính.

Do đó, cần đơn giản hóa quá trình cấu hình. Bằng cách giảm thiểu giao diện cấu hình, chỉ giữ lại những tính năng mạng có liên quan, việc cài đặt và bảo trì sẽ trở lên hiệu quả hơn. Như minh họa trong hình, các kỹ sư có thể sử dụng tiện ích cấu hình của Moxa để bố trí các thiết bị mạng chỉ trong 7 bước

Tổng quan 2

Một nền tảng quản lý an toàn và mạnh mẽ là yếu tố quan trọng trong tự động hóa trạm biến áp. Tuy nhiên, khi một loạt các ứng dụng cùng vận hành trên một hệ thống đơn lẻ thì hiệu suất tổng thể sẽ bị suy giảm đáng kể. Việc duy trì nhiều nền tảng quản lý khác nhau sẽ gây tốn kém chi phí và khó khăn trong quá trình thực hiện. 

Phần lớn các máy tính nhúng được sử dụng trong trạm biến áp để chạy nhiều ứng dụng và hệ điều hành khác nhau.

Trong những trường hợp như vậy, các kỹ sư muốn sử dụng công nghệ ảo hóa như VMware để chạy các máy ảo độc lập vì những lợi ích sau:

Giảm thiểu chi phí

VMs tăng cường hiệu quả và tận dụng được nền tảng phần cứng x86 hiện hữu do đó giảm thiểu chi phí thay thế phần cứng mới.

Cách ly ứng dụng

Tùy thuộc vào khả năng của nền tảng phần cứng, có thể chạy mỗi ứng dụng trên một VM riêng biệt để cô lập hoàn toàn các ứng dụng. Hoặc cũng có thể chạy những những dụng quan trọng và không quan trọng trên các VM riêng để đảm bảo nếu một bộ ứng dụng gặp sự có thì những ứng dụng khác vẫn tiếp tục hoạt động.

Kéo dài tuổi thọ của các ứng dụng hiện hữu

Có thể sử dụng VM để chạy các ứng dụng và OS hiện hữu trên những máy tính với nền tảng phần cứng hoặc các OS mới.

Tuy nhiên không phải tất cả các máy tính đều tương thích với Vmware. Dấu hiệu nhận biết sản phẩm đáp ứng những tiêu chuẩn để có thể tương thích với Vmware đó trên sản phẩm có hiển thị logo của Vmware.