Kỳ 3: Truyền và tương tác của các gói tin Ethernet với Sampled Values trong các mạng truyền thông Trạm biến áp

Tác giả: Fred Steinhauser, OMICRON electronics, Cộng hòa Áo

Tóm tắt

Các giao thức khác nhau đưa ra bởi IEC 61850 có thể truyền qua một mạng truyền thông chung để gửi các kiểu thông tin khác nhau từ nhiều nguồn tới nhiều đích thay vì sử dụng kết nối điểm – điểm (point – to – point). Do đó lưu lượng thông tin lớn trong mạng luôn là điều đáng lo ngại, đặc biệt khi nhiều phần tử trong hệ thống tự động hóa trạm biến áp gửi đi dữ liệu khi có một sự cố trong hệ thống điện. Nhiều vấn đề bắt nguồn từ việc nghẽn hay cách xử lý thông tin trên mạng xảy ra ở thời kỳ đầu của Ethernet, mà ngày nay không còn là vấn đề lớn với các switch Ethernet. Miễn là chỉ có thông tin client/ server và GOOSE trên mạng, sẽ không có thách thức thực sự vì lưu lượng thông tin là tương đối nhỏ. Tuy nhiên, khi có truyền tin Sampled Values, các gói tốc độ cao và lưu lượng mạng diễn ra liên tục. Thông tin thời gian thực phải đến đích nhận đúng thời điểm. Độ trễ (delay) và độ lệch (jitter) trở thành vấn đề. Bài báo này đề cập các trường hợp khi Sampled Values liên quan đến truyền tin và làm rõ các vấn đề chính xảy ra. Đồng thời diễn giải các hiện tượng này có thể lường trước được, ở mức độ nào đó, và cách thức kiểm tra các dự đoán này bằng các phép đo. Việc kiểm tra này hữu ích khi thiết kế mạng truyền thông trạm biến áp (Power Utility Communication – PUC) và để kiểm tra hiệu năng của nó.

1. Hệ thống kỹ thuật số hoàn toàn (Fully Digital System)

Thuật ngữ hệ thống bảo vệ, tự động hóa và điều khiển trạm biến áp kỹ thuật số hoàn toàn (fully digital) là hệ thống khi lắp đặt vận hành ứng dụng tất cả các kiểu truyền thông tin định nghĩa trong IEC 61850, ví dụ như truyền thông client/ server, GOOSE và Sampled Values.

Hình 1: Mạng truyền thông trạm biến áp với các bus chuyên dụng: station bus và process bus

Mặc dù đề cập rõ ràng trong tiêu chuẩn IEC 61850, thuật ngữ “station bus” và “process bus” thường sử dụng để chia thành các phân đoạn của một mạng truyền thông trạm biến áp lưu chuyển các loại thông tin khác nhau. Quan niệm chấp nhận rộng rãi là thông tin client/ server (cũng thường gọi là MMS sau giao thức truyền) chỉ xuất hiện trong station bus, trong khi process bus dành riêng cho Sampled Values. GOOSE có thể xuất hiện ở cả hai. Khi không sử dụng Sampled Values và chỉ có station bus, dĩ nhiên là bản tin GOOSE sẽ chỉ gửi qua station bus. Thường đây không phải là vấn đề vì lượng băng thông cần thiết cho GOOSE khá thấp trong phần lớn trường hợp. Khi triển khai process bus, bản tin GOOSE sẽ thường xuất hiện trên process bus, do bản chất quá trình truyền tin gần với thời gian thực. Tuy nhiên sự chia tách nghiêm ngặt giữa thông tin client/ server và Sampled Values, như thường giả định, không cần thiết trong các trường hợp, đặc biệt khi cấu trúc bus thực tế được sử dụng. Hình 1, được biểu hiện dưới một dạng đồ họa hơi khác trong [3], chỉ ra rằng các thông tin khác nhau, client/ server (C/S), GOOSE (GO), và Sampled Values (SV) diễn ra trong một mạng truyền thông trạm biến áp, với station bus và process bus dành riêng. Điểm chính đưa ra ở đây, thực tế là các bộ điều khiển trạm (station controller) không chỉ giao tiếp với các IED nối với station bus, mà còn với các bộ điều khiển máy cắt (CB controller) nối với process bus. Các bộ điều khiển trạm có thể gửi lệnh điều khiển đến các máy cắt và nhận báo cáo (report) về quá trình thực hiện lệnh. Để tiếp cận các bộ điều khiển máy cắt, thông tin client/ server cần trao đổi trên process bus, nơi nó sẽ tương tác với các Sampled Values.

2. Các điểm giao thoa

Bộ phận quản lý việc chuyển tiếp các gói tin trong mạng truyền thông nội bộ là các bộ chuyển mạch mạng Ethernet switch. Mỗi IED có một kết nối riêng được gọi là edge port tới một switch. Giữa các switch, các kết nối được thiết lập được gọi là trunk link, nối tới các trunk port. Các IED có thể gửi dữ liệu tới switch tại các thời điểm bất kỳ. Switch có nhiệm vụ chuyển tiếp các gói tin, tới một IED khác nối tới cùng switch, hoặc tới switch khác theo liên kết trunk link. Khi nhiều gói tin đến từ các IED khác nhau tại cùng một thời điểm, hoặc gần như cùng thời điểm, và cần được chuyển tiếp qua trunk link, switch phải lập lịch chuyển tiếp cho các gói tin, vì các gói tin không thể đi qua trunk link song song, mà phải tuần tự.

Hình 2: Dữ liệu từ các nguồn khác nhau giao thoa khi chuyển tiếp qua một trunk link

IEC 61850 quy định sử dụng nhãn VLAN (mạng LAN ảo) để tạo ra làn ưu tiên nhanh cho các thông tin cần thời gian nghiêm ngặt như GOOSE và Sampled Values. Việc sử dụng các tính năng VLAN trước hết không dành riêng cho tách riêng về mặt logic mạng, mà để sử dụng thông tin ưu tiên đến, với nhãn VLAN. Switch lọc các gói tin đến thành các loại khác nhau theo mức độ ưu tiên trong nhãn VLAN. Khi gói tin tiếp theo được chuyển qua kết nối trunk link, gói tin được xếp hàng thứ tự cao nhất được ưu tiên. Việc lựa chọn chính xác phụ thuộc vào quy tắc lập lịch thực thi hiện tại các gói tin. Tuy nhiên, việc này không giải quyết hoàn toàn tất cả các vấn đề. Mức độ ưu tiên cao không đảm bảo gói tin được chuyển đi ngay lập tức sau khi đến switch. Cổng trunk trước đó phải ở trạng thái chờ trước khi gói tin mới có thể chuyển đi. Khi switch đã sẵn sàng chuyển một gói tin đi, mọi gói tin mới đến phải ở trạng thái chờ, bất kể mức độ ưu tiên của nó. Cả 2 IED trên Hình 2 đều truyền các gói tin cần chuyển tiếp qua trunk link. Thời gian chuyển gói tin minh họa trên hình là trường hợp một gói tin lớn, mức độ ưu tiên thấp từ IED ở phía trên bên trái đến switch ngay trước khi gói tin mức độ ưu tiên cao Sampled Values từ merging unit đến. Gói dữ tin lớn (gán nhãn là MSEP – Maximum Size Ethernet Packet) được gửi qua trunk link và cổng trunk sẽ bận tới khi gói tin này được chuyển đi hoàn toàn. Trong trường hợp này, gói tin Sampled Values gần như bị trễ bởi toàn bộ thời gian của gói tin lớn, chỉ bởi vì nó đến switch sau một chút khi việc truyền gói tin lớn đã bắt đầu. Hiện tượng này đã được đề cập trong [2] và [4], nhưng nó phải được đo bằng công cụ đặc biệt trong phòng thí nghiệm, sử dụng bởi chuyên gia về truyền thông. Trong thử nghiệm đề cập dưới đây, các phép đo này được thực hiện với công cụ dành cho sử dụng tại hiện trường, sử dụng bởi các kỹ sư ngành điện.

3. Thử nghiệm để đánh giá

Hình 3: Lắp đặt thử nghiệm hệ thống

Thử nghiệm sẽ đánh giá hiện tượng tắc nghẽn thông tin trên đường truyền các thông tin yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian trong các mạng truyền thông điện lực. Các phép đo được thực hiện với Sampled Values, nhưng các kết quả cũng được áp dụng cho bản tin GOOSE. Việc lắp đặt thử nghiệm được thực hiện đơn giản nhất có thể, cho phép quan sát hiện tượng đã mô tả, thể hiện ở Hình 3. Mạng bao gồm 2 switch, S1 và S2, nối với nhau bởi trunk link. Một nguồn phát Sampled Values (một merging unit) đẩy một luồng Sampled Values stream vào mạng. Thiết bị đo sẽ chụp lại gói tin Sampled Values từ nguồn phát Sampled Values trước khi nó đi vào mạng tại switch S1 và sau đó chụp lại lần nữa khi nó phát ra từ switch thứ 2, S2, sau khi đi qua mạng truyền thông. Một máy tính cá nhân PC nối tới switch S1 tạo ra lưu lượng thông tin bằng cách “pinging” một IED được nối tới S2. Nó sẽ ép bản tin ICMP trao đổi qua trunk link và do đó, gặp giao thoa với Sampled Values. Việc ping để tạo ra lưu lượng thông tin cho phép định ra kích cỡ và tần số của gói tin ICMP.

3.1 Kiểm chứng trên lý thuyết

Lắp đặt hệ thống thử nghiệm được tối thiểu hóa, tất cả dữ liệu truyền trên mạng đã biết và các thông số được kiểm soát. Nhiễu duy nhất tồn tại trên mạng truyền thông là các bản tin quản trị gây ra lưu lượng không đáng kể. Trong một môi trường mạng đã biết trước, có thể đánh giá ảnh hưởng của việc giao thoa dữ liệu biết trước, đem lại một số dấu hiệu về kết quả kỳ vọng của phép đo. Do đó, tính hợp lý của phương pháp đo có thể chấp nhận được. Bản tin ICMP có kích cỡ dung lượng s_p. Với tốc độ kết nối cho trước n_l, mỗi gói tin giữ kết nối trong một khoảng thời gian t_p = s_p/ n_l (1) Khi gói tin được tạo ra với tần số f_p, nó giữ một phần p của tổng lượng băng thông là: p = f_p * t_p = f_p * s_p / n_l (2) Cũng có khả năng khi một gói tin Sampled Values xung đột với một gói tin ICMP khi được gửi qua trunk link. Công thức (2) chỉ ra khả năng xảy ra thêm độ trễ do giao thoa tăng tỷ lệ với kích cỡ và tần số của các gói tin ICMP, trong khi giảm nếu tăng tốc độ kết nối. Trong trường hợp xấu nhất, một gói tin Sampled Values bị trễ trong khoảng thời gian t_p của các gói tin ICMP. Một phần của (1-p) các gói tin sẽ không bị ảnh hưởng và sẽ đi qua nếu không có lưu lượng thông tin nào. Các gói tin khác sẽ bị trễ bởi một phần của t_p, với chỉ một số gói tin bị trễ thêm thời gian lớn nhất là t_p. Các gói tin Sampled Values bị ảnh hưởng sẽ gặp ngẫu nhiên các gói tin ICMP ở các trạng thái khác nhau trong quá trình gửi với xác suất như nhau, vì vậy có thể kỳ vọng phân bố đồng nhất của các độ trễ được kiểm tra. Trong ví dụ lắp đặt thử nghiệm, tất cả các kết nối Ethernet, cũng như trunk link, thực hiện ở tốc độ n_l = 100 Mbit/s. Các gói tin ICMP sẽ được gửi đi với tần suất trong dải khoảng 1000 gói tin mỗi giây, giới hạn bởi khả năng của nguồn ping đạt được tại một kích cỡ gói tin nhất định. Với các giá trị hiện tại áp dụng trong thử nghiệm, các con số trong Bảng 1 được áp dụng.

Kích cỡ gói tin ICMP	Thời gian kết nối gói tin t_p	Tần số gửi f_p	Khả năng p (xảy ra giao thoa)
500 bytes (4000 bits)	40 μs	1000 s^-1	4 %
1538 bytes (12304 bits)	123 μs	885 s^-1	10.9 %

Bảng 1: Đặc tính lưu lượng thông tin

Kích cỡ gói tin trong bảng trên tương ứng với thực tế khoảng cách bắt đầu gửi tin (start-to-start) của 2 gói tin nối tiếp liên tục trên kết nối Ethernet và bao gồm cả phần preamble (mở đầu), checksum (kiểm tra lỗi), và inter-frame gap (khoảng trống giữa các gói tin), vốn không được đếm nhưng vẫn chiếm giữ thời gian kết nối. Giá trị 1538 bytes ở dòng dưới tương ứng với gói tin Ethernet kích cỡ lớn nhất không được gán VLAN; nếu gán VLAN, gói tin sẽ lớn thêm 4 byte.

3.2 Đo và đánh giá

Bây giờ thời gian trễ của các gói tin Sampled Values sẽ được đo dưới các điều kiện lưu lượng thông tin khác nhau. Việc này thực hiện với số lượng lớn các phép đo riêng rẽ và đánh giá phân bố của thời gian trễ. Việc đánh giá được thực hiện với 10,000 phép đo đơn lẻ, để có số liệu thống kê ổn định. Với 4000 gói tin Sampled Values một giây [6], lưu lượng thông tin sẽ được chụp lại chỉ trong 2.5 giây. Một điều kiện là các gói tin Sampled Values giao thoa với các gói tin ICMP ngẫu nhiên, nghĩa là tần suất gửi bản tin ICMP không được tương ứng với tần suất gửi bản tin Sampled Values. Do không có đồng bộ thời gian giữa các thiết bị và nguồn phát các gói tin ICMP là một máy tính PC với đặc tính thời gian bình thường điển hình, thời gian không hoàn toàn chính xác nên độ lệch (jitter) đủ để đảm bảo mức độ ngẫu nhiên yêu cầu.

Hình 4: Phân bố thời gian trễ không tải (không có lưu lượng thông tin)

Phép đo đầu tiên thực hiện không có lưu lượng ICMP, với chỉ có gói tin Sampled Values tồn tại trên mạng. Phép đo này để tham chiếu, vì ngay cả trong trường hợp này, thời gian trễ đo được đến từ việc lưu và chuyển tiếp các gói tin Sampled Values trong switch. Các thời gian trễ sau đó gây ra bởi giao thoa sẽ được cộng vào đỉnh của con số tham chiếu. Phân bố thời gian trễ của phép đo tham chiếu được thể hiện ở Hình 4. Độ trễ trung bình của gói tin là khoảng 26 µs, các độ lệch là nhỏ nhất. Tất cả các giá trị đo nằm trong khoảng 25 µs và 28 µs. Độ trễ gây ra bởi 2 quá trình lưu và chuyển tiếp gói tin trong chuỗi Ethernet switch. Gói tin Sampled Values có kích cỡ gói là 152 bytes, do đó thời gian là khoảng 12 µs. Tổng thời gian trễ lớn hơn 2 lần giá trị này một chút và độ lệch đến từ việc xử lý các gói tin bên trong switch trước khi nó được chuyển đi. Trong ví dụ này, quá trình xử lý chỉ khoảng 1 µs với mỗi switch.

Hình 5: Phân bố thời gian trễ với các gói tin ICMP (500 byte) như lưu lượng thông tin trên mạng.

Con số tiếp theo thể hiện phân bố thời gian trễ của Sampled Values khi có lưu lượng thông tin với gói tin ICMP 500 byte tồn tại trên mạng. 9592 trên tổng số 10,000 gói tin, rất gần với giá trị kỳ vọng (1-p) = 96 %, vẫn có giá trị trễ của các trường hợp không bị nhiễu (không tải). 408 gói tin khác có độ trễ khác nhau giống phân bố không đồng nhất, hợp lý so với kỳ vọng. Giá trị độ trễ lớn nhất là 66 µs, chính xác t_p = 40 µs lớn hơn giá trị tham chiếu. Con số cuối thể hiện phân bố thời gian của gói tin Sampled Values khi lưu lượng thông tin với các gói tin ICMP trong kích cỡ gói tin Ethernet lớn nhất tồn tại trên mạng.

Hình 6: Phân bố thời gian trễ với các gói tin ICMP (1538 bytes) như lưu lượng trên mạng

8894 gói tin, gần với giá trị kỳ vọng (1-p) = 89 %, vẫn có giá trị trễ của các trường hợp không bị nhiễu (không tải). Độ trễ của 1106 gói tin giống phân bố không đồng nhất. Giá trị độ trễ lớn nhất là 149 µs, chính xác t_p = 123 µs lớn hơn giá trị tham chiếu. Kết quả đo phù hợp với kỳ vọng suy ra từ kiểm chứng lý thuyết trong phép thử nghiệm. Do đó, phương pháp đo và thiết bị có thể được xem xét là hợp lệ.

Kết luận

Hoạt động của mạng truyền thông trạm biến áp không gặp thử thách khi chỉ có lưu lượng client/ server và GOOSE. Nhưng khi gói tin Sampled Values tham gia vào mạng, cần xem xét đến chi tiết hơn, đặc biệt khi các lưu lượng thông tin khác có thể giao thoa với Sampled Values. Việc giao thoa đã giải thích ở trên có thể dẫn đến độ lệch thời gian đáng kể. Khi những giao thoa kiểu này xảy ra lặp lại trong mạng, độ lệch có thể trở thành quá lớn khiến các gói tin Sampled Values tuần tự có thể bắt gặp các gói tin trước nó. Có thể đánh giá được hiệu ứng giao thoa các gói tin Ethernet trong mạng bằng cách kiểm tra độ trễ các gói tin. Các giá trị kỳ vọng theo thiết kế có thể được xác nhận bởi các phép đo chính xác. Nói cách khác, có thể phát hiện vấn đề của các phần tử trong mạng khi đo và so sánh kết quả với thông số thiết kế. Ngày nay với các thiết bị hiện đại, các phép đo này khả thi không chỉ với các chuyên gia về truyền thông mà cả các kỹ sư điện lực, những người làm việc với các mạng truyền thông với yêu cầu nghiêm ngặt trên các phần tử của hệ thống bảo vệ, tự động hóa và điều khiển.

Biên dịch

Trần Quang Minh ENTEC A&T

Tài liệu tham khảo

[1] Steinhauser, F., Interaction of Ethernet Traffic in Power Utility Communication Networks. PACWorld conference 2013, Dublin
[2] Ingram, D., et. al.: Direct Evaluation of IEC 61850-9-2 Process Bus Network Performance. IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 3, No. 4, December 2012
[3] IEC 61850-90-4: Communication Networks and Systems for Power Utility Automation. Part 90-4: Network Engineering Guidelines, Technical Report, 2012
[4] Steinhauser, F.: Measuring the Performance of GOOSE Communication – Assessing IEC 61850 Real Time Messaging, CIGRÉ SEAPAC 2011, Sydney
[5] Steinhauser, F., Schossig, T.: Coexistence of SCADACommunication and Process-Level Real-Time-Communication in Substation Networks. PACWorld conference 2010, Dublin
[6] UCA International User Group: Implementation Guideline For Digital Interface to Instrument Transformers Using IEC 61850-9-2

Mời các bạn theo dõi thêm các bài viết cùng chủ đề: https://new.automationandtesting.vn/app/tram-bien-ap-ky-thuat-so-the-he-tram-bien-ap-thong-minh-tiep-theo-cho-luoi-dien https://new.automationandtesting.vn/app/thiet-ke-ky-thuat-co-the-lam-viec-thi-nghiem-he-thong-dieu-khien-va-tu-dong-tro-nen-de-dang-hon