Tài liệu kỹ thuật

Tài liệu kỹ thuật Lượt xem: 7414

Đồng bộ thời gian trong trạm biến áp tự động hóa điều khiển số

Đồng bộ thời gian

Tự động hóa trạm biến áp là nhiệm vụ quan trọng và các công ty điện lực phải thực hiện đồng bộ thiết bị đóng cắt tại trạm biến áp trên lưới điện phân phối để cho phép truyền tải điện nhịp nhàng và duy trì tính toàn vẹn lưới điện. Đồng bộ thời gian chính xác đảm bảo thiết bị tại trạm biến áp có  thời gian chính xác cho điều khiển và thu thập dữ liệu. Tín hiệu đồng bộ đặc biệt quan trọng cho việc lấy mẫu giá trị dòng điện, điện áp (IEC61850-9-2)  trong các thiết bị Merrging.

Đồng bộ hóa thời gian cấp tín hiệu đồng hồ bên trong đồng bộ chính xác cho thiết bị điện thông minh (IED), bộ trộn tín hiệu (merge units - MU ), thiết bị bảo vệ, thiết bị Ethernet switch và các cơ chế vận hành cần đồng bộ trong trạm biến áp tự động hóa. Nó giúp điều khiển chính xác và phân tích sự cố cho phép xác định sự cố xảy ra khi nào, ở đâu và đưa ra phương án xử lý.

Trong trạm biến áp tự động hóa, các ứng dụng sau đây yêu cầu đồng bộ hóa thời gian:

Giao thức truyền dữ liệu Ethernet như GOOSE và MMS.
Thu thập dữ liệu theo thời gian thực từ IED, RTU và MU.
Điều khiển vận hành thời gian thực của thiết bị như rơ le bảo vệ.
Ghi nhận lỗi và phân tích sự cố.

Có hai kiểu đồng bộ thời gian trong trạm trạm biến áp tự động hóa: đồng bộ thời gian trực tiếp và đồng bộ qua mạng LAN.

1. Các giao thức được áp dụng cho đồng bộ thời gian

Thông thường, đồng hồ bên trong thiết bị mạng sẽ được đồng bộ theo máy chủ đồng bộ thời gian sử dụng GPS hoặc vệ tinh khác. Tùy thuộc vào ứng dụng tại trạm mà độ chính xác thời gian đồng bộ sẽ yêu cầu từ mức micro giây đến mili giây. Các thông số ảnh hưởng đến độ chính xác bao gồm giao thức, lưu lượng, thiết bị truyền dẫn và độ dài cáp sử dụng.

Thiết bị IED có thể đồng bộ bằng cách sử dụng hệ thống  đồng hồ riêng (dedicated timing system) sử dụng hệ thống cáp và bộ lặp tín hiệu tiêng, hoặc dùng đồng hồ thời gian mạng chung với với các ứng dụng tự động hóa khác qua hệ thống swicth và cáp Ethernet.

Thiết bị đồng bộ  chuyên dụng sử dụng giao thức 1-PPS để  cấp thời điểm bắt đầu mỗi giây chính xác, hoặc tín hiệu thời gian IRIG-B cho thông tin thời gian và ngày tháng. Bộ thu GPS (hoặc GNSS) chuyển đổi thông tin thời gian nhận được từ GNSS thành tín hiệu một xung trên giây (1-PPS) và tín hiệu thời gian IRIG-B, sau đó dùng đồng bộ hóa thiết bị IED trong trạm.

Ví dụ về hệ thống lấy mẫu chuyên dụng hoạt động độc lập với mạng trong trạm biến áp được thể hiện trong Hình 1. Tín hiệu 1-PPS được truyền từ thiết bị thu GPS đến các thiết bị sẽ có độ trễ.

Hình 1 - mạng lấy mẫu thời gian độc lập.

Trong quá trình cân chỉnh hệ thống, độ trễ này phải được đo lường và tính bù vào.

Các ứng dụng trong trạm như SCADA hoặc máy ghi nhiễu (disturbance recorders) yêu cầu độ chính xác mức mili giây, có thể sử dụng giao thức thời gian mạng (NTP) qua Ethernet như trong Hình 2.

Hình 2 - Kết hợp tín hiệu thời gian vào mạng.

Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng trạm biến áp yêu cầu độ chính xác thời gian tính bằng micro giây nên NTP không được sử dụng.

1.1 Đồng bộ thời gian trực tiếp

Với các thiết bị kiểu cũ, thiết bị đồng bộ thời gian trực tiếp cấp tín dụng đồng bộ sử dụng cáp quang, đồng trục hoặc cáp xoắn đôi riêng để truyền tín hiệu đồng bộ thời gian. Thông thường chỉ cần một thiết bị chủ cấp tín hiệu đồng bộ. Do số lượng cổng trên thiết bị chủ đồng bộ thời gian trực tiếp hạn chế nên chỉ cấp được giới hạn thiết bị được đồng bộ.

Đồng bộ thời gian trực tiếp chủ yếu cấp cho thiết bị IED tại mức ngăn lộ (bay) và mức vận hành (process) tại trạm biến áp tự động hóa.

Các giao thức đồng bộ hóa thời gian trực tiếp  GPS, IRIG-B và 1PPS.

1.1.1 GPS

GPS là viết tắt của hệ thống định vị vệ tinh toàn câu (Global Positioning Satellite). Hệ thống GPS có độ dự phòng cao và dùng cho đồng bộ trực tiếp hoặc hoặc cấp tín hiệu thời gian cho các giao thức thời gian khác. Mỗi thiết bị IED cần có ăng ten thu tín hiệu đồng bộ thời gian trực tiếp GPS. GPS cung cấp tín hiệu thời gian với độ chính xác mười nano giây theo UTC.

1.1.2 IRIG-B

IRIG-B (Inter-range instrumentation group time codes B) là chuẩn công nghiệp đồng bộ hóa thời gian GPS mức 1ms. IRIG-B sử dụng trong trạm biến áp cho hệ thống theo dõi độ ổn định và chất lượng nguồn điện, ghi sư kiện lỗi và hệ thống hóa đơn.

IRIG-B chỉ có thể truyền qua hệ thống cáp xoắn đôi hoặc cáp đồng trục chuyên dụng.

IRIG-B cần nguồn thời gian bên ngoài. Độ chính xác của các giá trị thời gian lấy mẫu phụ thuộc vào độ sẵn sàng và chất lượng tín hiệu đồng bộ và trong phạm vi micro giây.

1.1.3 1PPS

1PPS là viết tắt của một xung mỗi giây. Đó là xung thời gian chính xác cao từ đồng hồ chính xác như bộ thu tín hiệu GPS xác định thời điểm bắt đầu một giây. 1PPS được truyền tới các thiết bị qua cáp dẫn riêng và yêu cầu sử dụng nhiều cáp kết nôi.  Độ chính xác của đồng bộ thời gian 1 PPS trong phạm vi vi giây.

1.2 Đồng bộ thời gian qua mạng LAN

Đồng bộ thời gian qua mạng LAN sử dụng mạng Ethernet và có thể cấp số lớn thiết bị sử dụng cấp mạng LAN. Giải pháp này tiết kiệm chi phí hạ tầng cáp sử dụng bằng cách ghép tín hiệu đồng bộ lên dữ liệu LAN truyền qua mạng Ethernet.

Giao thức chuẩn thông thường là SNTP để đồng bộ các IED tại mức trạm (station level), IEEE 1588 PTP để đồng bộ hóa thiết bị IED ở mức ngăn lộ (bay level) và mức quá trình (process level).

1.2.1 SNTP

SNTP là Giao thức Đồng bộ Thời gian qua mạng Đơn giản (Simple Network Time Protocol). Về cơ bản đây là giao thức NTP nhưng bỏ bớt một số thuật toán nội bộ không cần thiết cho máy chủ. Giao thức phân tán qua mạng LAN hoặc Internet. SNTP cho phép độ chính xác  đồng bộ thời gian vào khoảng mili giây (điển hình là 1-10 ms).

SNTP phù hợp mức trạm nhưng không đủ độ chính xác cho mức vận hành sử dụng thông điệp GOOSE và SV.

1.2.3 PTP IEEE 1588

PTP là viết tắt của Giao thức Thời gian Chính xác (Precision Time Protocol) và là chuẩn Ethernet trong tương lai theo IEEE 1588 và IEC61588 để đồng bộ thời gian.

Đây là giải pháp tiết kiệm chi phí và áp dụng được cho mạng Ethernet đang sử dụng trong trạm biến áp. IEEE 1588 áp dụng cơ chế đồng bộ hóa thời gian chủ / tớ và mẫu thời gian cho thiết bị phần cứng cổng phụ.

IEEE 1588 có hai phiên bản chúng không tương thích với nhau. IEEE 1588 v2 dùng chủ yếu cho bus vận hành IEC61850-9-2 hoặc IEEE C37.118-2005 đồng bộ phase trong trạm biến áp tự động hóa và chuyển đổi được sang IRIG-B. 

Đồng hồ trong thiết bị phân tán đầu cuối được đồng bộ theo IEEE 1588 v2 trong phạm vi micro giây (điển hình 30-50 ns).

2. Giao thức IEEE 1588 v2

IEEE 1588 sử dụng cho các ứng dụng tự động hóa trạm biến áp do các ưu điểm sau:

Giải pháp có độ sẵn sàng cao

IEEE 1588 v2 sử dụng Thuật toán Lựa chọn Đồng hồ Chủ Tốt nhất ( Best Master Clock Selection Algorithm - BMC). Đồng hồ Chủ trong trạm biến áp có thể nhận thông điệp đồng bộ từ các đồng hồ chủ có được khác Tất cả các đồng hồ hoạt động sử dụng cùng thông tin và do đó đạt được kết quả giống nhau. Khi xuất hiện thay đổi thì thiết bị được đồng bộ hóa lại nhanh với nhau (fast resynchronization). Đồng thời, IEEE 1588 v2 có phương thức chống lại lỗi tích tụ giữa liên kết các cấu trúc mạng, hỗ trợ khả năng chịu lỗi và tăng cường tính linh hoạt của hệ thống.

Giải pháp chi phí thấp

IEEE 1588 v2 có thể sử dụng mạng Ethernet hiện có và giảm chi phí mạng cáp. Thông điệp unicast có kích thước khung ngắn hơn để giảm băng thông sử dụng truyền tải thông điệp mạng và yêu cầu hiệu suất bộ xử lý tối thiểu. Rất dễ triển khai với thiết bị điện thông minh IED, Ethernet multicast và các multicast khác do chi phí thấp và bảo trì đơn giản.

Giải pháp có độ chính xác cao

IEEE 1588 v2 đồng bộ hóa với độ chính xác thay đổi được. Nó đạt được độ chính xác đồng bộ trong phạm vi micro giây.

3. Phương thức hoạt động của IEEE 1588

IEEE 1588 PTP có hai phiên bản, Điểm đến điểm PTPv1 (IEEE 1588-2002) hỗ trợ  cơ chế nhịp đồng hồ gốc (ordinary clock  -OC) và nhịp đồng hồ biên (boundary clock - BC); Điểm đến điểm PTPv2 (IEEE 1588-2008) hỗ trợ  nhịp đồng hồ gốc (ordinary clock  -OC), nhịp đồng hồ biên (boundary clock - BC) và nhịp đồng hồ trong suốt (transparent clock  - TC).

Hình 3- PTPv1 (IEEE 1588-2002)

Trong phiên bản một, tín hiệu đồng hồ hoặc bộ thu GPS thiết bị Bộ đếm xung Chủ Mặt đất (  ground master clock  - GM). Bộ đếm xung chủ căn chỉnh thời gian cho toàn bộ hệ thống và đồng bộ thời gian cho thiết bị tớ (BC cho thiết bị lân cận và OC cho thiết bị cuối dãy).

Với thiết bị đồng bộ tớ, một cổng hoạt động như cổng PTP tớ kết nối lên cổng PTP chủ, 1 cổng hoạt động như cổng PTP đồng bộ chủ cho kết nối xuống dưới cho thiết bị tiếp theo. Đầu tiên, sai lệch thời gian giữa chủ và tớ được hiệu chỉnh (offset). Sau đó, thời gian trễ giữa chủ và tới đươc xác định bằng độ trễ giữa tín hiệu yêu cầu và độ trễ tín hiệu đáp ứng. Cuối cùng, thời gian trong thiết bị tới được điều chỉnh theo thời gian hiệu chỉnh và độ trễ.

Tốc độ Đồng bộ hóa Điểm đến Điểm PTP  tăng nhanh bằng cách giảm thiểu số nút giữa Bộ đếm xung chủ (GM - grand master) và và thiết bị đồng hồ biên IED.

Với phiên bản thứ hai dùng xung đồng hồ trong suốt (transparent clock ),  xung đồng hồ trong suốt sẽ điều chỉnh thời gian "trễ" đi qua mỗi thiết bị mạng như Ethernet Switch. 

Khi gói tin đi qua mỗi thiết bị mạng sẽ bị "trễ" một khoảng thời gian và tính toán bằng mốc thời gian gói tin vào và ra thiết bị mạng.

Hình 4 - Đồng bộ Điểm đến Điểm dùng xung trong suốt - PTP V2.

Thời gian "trễ" thiết bị được tính toán điều chỉnh để đồng bộ hóa thời gian chính xác.  Vì xung đồng bộ trong suốt là xung không có trạng thái nên không làm tác động đến thời gian hệ thống mạng. Mỗi swicth trong dãy không điều chỉnh lại thời gian các gói tin đi qua chúng.  Điều này tránh sự tích tụ xung nhiễu jitter và giảm độ chính xác khi đấu nhiều switch nối tiếp.

Hình 5 - Thời gian trễ trong thiết bị.

IEEE 1588-2008 hỗ trợ hai loại xung đồng hồ trong suốt: Đầu cuối đến Đầu cuối (End-to-End E2E) và Điểm đến Điểm (Peer-to-Peer P2P). 

Xung đồng hồ trong suốt End-to-End TC chỉ đo thời gian từ thông báo PTP (thời gian được chèn vào) để chuyển đi và cung cấp thông tin này đến bộ đếm nhịp nhận trong trường điều chỉnh (correction field).

Xung đồng hồ trong suốt Peer-to-Peer TC dùng cơ chế trễ ngang hàng và đo thời gian trễ truyền tải dữ liệu cổng đến cổng (port-to-port propagation delay time) giữa hai cổng kết nối trực tiếp sử dụng cùng công nghệ. Cơ chế trễ ngang hàng độc lập với trạng thái cổng (chủ hoặc tớ). Nó hoạt động độc lập với hai chiều liên kết.

4. Áp dụng đồng bộ trong trạm tự động hóa

ĐỒng bộ hóa thời gian cho bus trạm (statiobus) và bus vận hành (process bus) có yêu cầu khác nhau. Hình 6 là ví dụ đồng bộ thời gian thực với các giao thức đồng bộ thời gian khác nhau trong trạm tự động hóa. Thời gian chính xác được GPS cấp đến máy chủ thời gian như nguồn tín hiệu thời gian chính xác cho thiết bị chuyển mạch và IED.

Thông thường sẽ cần thêm nguồn tín hiệu dự phòng từ vệ tinh khác để tăng cường độ hoạt động tin cậy của thiết bị.

      

Hình 6 - Đồng bộ thời gian trong trạm biến áp tự động hóa.

Trong bus trạm và bus vận hành hay dùng mô hình đấu nối đồng bộ hình sao. Thiết bị IED tại bus ngăn lộ (Bay bus) và bus vận hành (process bus) được đồng bộ theo kênh riêng biệt. Tuy nhiên có thể sử dụng cùng nguồn thời gian chính xác.

SNTP dùng để đồng bộ thiết bị chuyển mạch và thiết bị điều khiển từ xa, giám sát và hệ thống điều khiển tại mức trạm. Tùy theo độ chính xác yêu cầu đối với trạm biến áp mà người ta sử dụng đồng bộ thời gian IEEE 1588 PIPv2 TC mode cho thiết bị IED tại mức ngăn lộ và chuyển mạch IEEE 1588 tại mức vận hành.

Bởi vì không có gói tin trong bus vận hành nên giao thức IEEE 802.3 sử dụng truyền tải thông điệp PTP. IRIG-B và 1PPS sử dụng cáp riêng đồng bộ IED5 (IED từ 1 đến 5) tại mức ngăn lộ và mức vận hành.

Để tăng độ tin cậy đồng bộ thời gian, người ta sử dụng giao thức điểm đến điểm giữa IED (từ IED 1 đến IED 7 và MU) mà không sử dụng chuyển mạch nào.

Là giao thức đồng bộ hóa thời gian trong tương lai, IEEE 1588 cải thiện độ tin cậy hoạt động trạm biến áp.