Những yêu cầu đối với mạng Ethernet trong tự động hóa trạm biến áp (Phần 3)

Nguồn: Moxa’s Website

Các chức năng quản lý mạng

Điều khiển mạng lớp 3 thông minh

Các hệ thống tự động hóa điện được xây dựng trên các hệ thống mạng với kích thước lớn, thường sử dụng cơ sở hạ tầng mạng lớn nhất trong một khu vực. Đối với cơ sở hạ tầng lớn, phức tạp, thiết bị chuyển mạch lớp 2 có thể không đủ khả năng cung cấp hiệu suất tối ưu bởi số lượng của các thiết bị và dữ liệu trong mạng. Các thiết bị chuyển mạch lớp 3 phù hợp hơn cho các mạng lớn được sử dụng trong tự động hóa trạm, và có thể được sử dụng để chia mạng thành nhiều mạng con. Lưu lượng dữ liệu mạng có thể được giới hạn trong phạm vi các mạng con khác nhau, giúp nân cao hiệu suất của toàn bộ mạng. Thiết bị chuyển mạch lớp 3 cũng có thể chuyển tiếp dữ liệu nhanh hơn, hiệu quả hơn so với các bộ định tuyến thông thường.

VLANs với IEEE 802.1Q

Hình 5. Cấu trúc VLAN

Vì lý do bảo mật và quản lý, cần giữ cố định cho các thiết bị trạm và các chức năng thống nhất hoặc chỉ giới hạn trong một mạng vật lý duy nhất. Tuy nhiên, điều đó có thể dẫn tới hạn chế về mặt vật lý làm cho nó không thể thực hiện được. Với các thiết bị chuyển mạch Ethernet hỗ trợ IEEE 802.1Q, mạng LAN ảo (VLANs) có thể được sử dụng cấu thành các hệ thống mạng theo một phương pháp không bị ràng buộc bởi các liên kết mạng vật lý.

Ví dụ, những IED được kết nối đến các mạng vật lý khác nhau có thể truyền thông một cách dễ dàng bằng cách gán chúng vào cùng một nhóm VLAN. Các thiết bị trên cùng một mạng vật lý có thể được gán đến nhiều VLAN khác nhau để ngăn khả năng giao tiếp với nhau, nhằm tăng cường khả năng bảo mật và bảo vệ. Sự linh hoạt trong cấu trúc mạng là một tính năng đặc biệt có giá trị đối với trạm biến áp, khi những thành phần của hệ thống tự động hóa trạm biến áp trải rộng khắp trên một khu vực rộng lớn.

Xác thực với IEEE 802.1X

Hình 6. Cơ chế xác thực với IEEE 802.1X

An ninh mạng là một vấn đề quan trọng cho các hệ thống tự động hóa trạm biến áp. Các mạng nội bộ vẫn có thể bị bẻ khóa bởi các lỗi trong vận hành nội bộ. Sự xác thực là một quá trình có hiệu quả cho an ninh mạng trạm biến áp, chỉ những người dùng được cấp phép mới được quyền vận hành hệ thống. IEEE 802.1X ( Điều khiển truy cập mạng dựa trên cổng) là một tiêu chuẩn xác thực mạnh mẽ yêu cầu người sử dụng phải được xác thực dựa vào cơ sở dữ liệu người dùng hoặc một máy chủ RADIUS bên ngoài.

Bước 1: Người dùng bắt đầu quá trình xác thực với chứng thực ( thiết bị chuyển mạch Ethernet)

Bước 2: Thông tin người dùng được xác thực dựa vào cơ sở dữ liệu người dùng nội bộ hoặc máy chủ RADIUS bên ngoài

Bước 3: Sau khi xác thực thành công, người dùng có thể tương tác với các thiết bị thông qua thiết bị chuyển mạch Ethernet

QoS – Chất lượng dịch vụ với IEEE 802.1p

Trong khi các mạng phát triển về kích thước và sự phức hợp, các nhà quản trị cần có một phương pháp hiệu quả để quản lý việc gia tăng lưu lượng dữ liệu trên đường trục chính của mạng. Chất lượng dịch vụ (QoS) là một công cụ quan trọng để đảm bảo rằng dữ liệu quan trong nhất được chuyển đến đích một cách toàn vẹn. Đối với các hệ thống tự động hóa trạm, những kiểu dữ liệu quan trọng nhất là “ bảo vệ”, “ đo đếm” và “ điều khiển”, và tín hiệu “bảo vệ” có ưu tiên cao nhất.

Với sự hỗ trợ từ IEEE902.1p, các Ethernet switch có thể ưu tiên băng thông mạng cho các lệnh bảo vệ quan trọng luôn luôn cần được truyền ngay lập tức. Chức năng QoS giúp đảm bảo hoạt động của hệ thống mạng trong trạm biến áp vừa đáng tín cậy và vừa dự đoán được.

Hình 7. QoS – với IEEE 802.1p

IGMP cho nhiều luồng dữ liệu

Hình 8. Cơ chế của IGMP

Trong tiến trình giám sát và điều khiển lưới điện, các trạm biến áp gửi một số lượng lớn các bản tin quảng bá tới trung tâm điều độ, trạm nhị thứ, và các đơn vị điều khiển khác. Khối lượng lớn của dữ liệu quảng bá có thể là nguyên nhân gây tiêu tốn băng thông, có khả năng gây trễ trong truyền dẫn các dữ liệu khác hoặc các luồng dữ liệu mạng quan trọng hơn. Các Ethernet switch hỗ trợ GMRP (GARP Multicast Registration Protocol) và IMGP (Internet Group Management Protocol-Giao thức multicast nội vùng) có thể chọn lọc các luồng dữ liệu multicast để tối ưu hóa hiệu suất của mạng trong hệ thống tự động hóa trạm biến áp. Dữ liệu multicast chỉ truyền tới đối tượng đã yêu cầu, mà không làm chậm tốc độ mạng và gây nguy hiểm cho hoạt động quan trọng.

Cấu hình dự phòng 

Hình 9. Trích xuất và nạp cấu hình khi thay thế thiết bị chuyển mạch

Thiết kế thiết bị chuyển mạch Ethernet độ bền cao và kiến trúc mạng dự phòng có thể đảm bảo độ ổn định cao cho một hệ thống tự động hóa trạm biến áp. Tuy vậy, một kế hoạch dự phòng vẫn cần thiết trong trường hợp một thiết bị chuyển mạch bị lỗi và cần được thay thế. Cách làm phổ biến và hiệu quả là giữ các thiết bị chuyển mạch thay thế ở chế độ chờ.

Những kỹ sư thường phải tự lắp đặt và cấu hình thiết bị chuyển mạch thay thế khi cần thiết. Thời gian dừng hệ thống có thể được rút ngắn bằng cách tiến hành cấu hình càng đơn giản càng tốt. Thiết bị chuyển mạch thay thế có thể được cấu hình nhanh chóng, hoặc cấu hình cũng có thể được nạp vào từ một bản dự phòng. Các công thân thiện với người dùng cũng có hiệu quả nhằm đơn giản hóa thủ tục cài đặt. 

Dưới đây là ví dụ về một công cụ giúp người dùng không có chuyên môn có thể dễ dàng sao chép cấu hình từ một thiết bị chuyển mạch bị lỗi sang một thiết bị chuyển mạch mới. Thiết bị chuyển mạch thay thế có thể được cấu hình tự động trong điều kiện đào tạo ít và không có kiến thức về giao thức và lập trình. Dạng tính năng thân thiện với người dùng này có thể giảm đáng kể thời gian ngừng hệ thống nếu một thiết bị chuyển mạch Ethernet lỗi tại hiện trường.

Kết luận

Trong các ngành công nghiệp trên thế giới, mạng Ethernet tạo thành trục truyền thông chính giữa các thiết bị, hệ thống, và người sử dụng. Đối với hệ thống tự động hóa trạm biến áp, mạng Ethernet đã được phát triển rất thành công bằng cách quan tâm kỹ lưỡng đến các yêu cầu và điều kiện đặc biệt. Các hướng dẫn được trình bày trong bài viết có thể hỗ trợ các điều hành viên ngành điện trong việc đảm bảo hiệu suất mạng tối ưu và tin cậy.  Với kế hoạch và thiết bị thích hợp, một mạng lưới Ethernet mạnh mẽ có thể được thiết lập để tối đa hóa khả năng phục vụ của một hệ thống điện, cung cấp điện một cách liên tục cho cộng đồng.

Thuật ngữ:

STP – Spanning Tree Protocol

RSTP – Rapid Spanning Tree Protocol

GMRP – GARP Multicast Registration Protocol

IMGP – Internet Group Management Protocol

(Hết)