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 Giao thức NTP
Là giao thức sử dụng rộng rãi nhất. Hệ thống đồng bộ hình cây bao gồm nhiều lớp gọi là strata. Stratum 0 ở mức trên cùng là đồng hồ nguyên tử, giống hệ thống trong vệ tinh GNSS. Stratum 1 là máy chủ thời gian chính, kết nối trực tiếp với Stratum 0, đồng bộ với độ chính xác micro giây với Stratum 0, kết nối với các máy chủ Stratum 1 khác để hiệu chỉnh và lưu dữ liệu. Đồng hồ chủ Stratum 2 kết nối với các máy chủ thời gian chính để tăng độ chính xác. NTP hỗ trợ 15 mức strata, mức càng ở dưới thì độ chính xác giảm đi.
Khung thời gian 64 bit được chia thành 2 nửa 32 bít:
- 32 bit đầu đếm số giây, cho dải đếm đến 136 năm.
- 32 bit sau đếm đến mức pico giây.
Bản cập nhập của NTP sẽ dùng khung 128 bit, nửa đầu đếm đến 600 tỷ năm và nửa sau cho độ chính xác femtosecond.
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 Giao thức Thời gian Chính xác (Precision Time Protocol) là chuẩn IEEE 1588 và IEC61588 để đồng bộ thời gian, để đạt độ chính xác nano giây. IEEE 1588 áp dụng cơ chế đồng bộ hóa thời gian chủ / tớ và dùng thiết bị phần cứng cho đồng bộ thời gian. Hầu hết các ứng dụng thương mại thì NTP đáp ứng đủ độ chính xác, nhưng nếu muốn có độ chính xác cao hơn thì phải chuyển sang PTP.
Tại sao PTP lại có độ chính xác cao như vậy? Bởi vì giao thức sử dụng phần cứng để tạo mẫu thời gian chứ không dùng phần mềm, thiết kế cho mục đích chuyên biệt là đồng bộ thời gian giữa các thiết bị. PTP có độ chính xác cao hơn không như NTP nó có tính cả thời gian đồng bộ tại mỗi thiết bị vào thông điệp đồng bộ thời gian, hay còn gọi là độ trễ tại thiết bị.
Chuỗi PTP gồm 4 thông điệp giữa master (chủ) và slave (tớ):
- Thông điệp đồng bộ khởi tạo (initial sync message) từ chủ đến tớ.
- Thông điệp đồng bộ tiếp theo (followup sync message) từ chủ đến tớ.
- Thông điệp trễ (delay request message) từ tớ đến chủ.
- Thông điệp đáp ứng trễ cuối cùng (final delay response message ) từ chủ đến tớ.
Trình tự gồm 4 khung thời gian:
- T1 chủ gửi thông điệp đồng bộ khởi tạo.
- T2 tớ nhận thông điệp đồng bộ khởi tạo.
- T3 tớ gửi yêu cầu trễ.
- T4 chủ nhận yêu cầu trễ.
Chủ gửi 4 mốc thời gian trong quá trình phản hồi yêu cầu trễ của tớ, và tớ dùng thông số này để tính toán độ trễ giữa chủ và tớ theo các hướng truyền tin. Bằng cách dùng phần cứng chèn mốc thời gian theo đồng hồ bên trong, tớ sẽ tránh được độ trễ gây ra do hệ điều hành.
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.
Sự khác biệt giữa NTP và PTP
| NTP | PTP |
| Độ chính xác milligiây | Độ chính xác micro giây |
| Dùng phần mềm. Có thể ở mức micro giây khi dùng phần cứng bổ sung. | Dùng phần cứng. Mức chính xác nanogiây khi dùng đồng hồ nội. |
| Dùng cho mạng diện rộng. | Dùng cho mạng Local và mạng WAN version 2. |
| Client NTP có thể nhận đồng bộ từ nhiều máy chủ NTP. | Ở chế độ multicast, Grandmaster push đồng bộ cho nhiều tớ. |
| Dùng mã Hash để bảo mật. | Dùng cơ chế mã hóa để bảo mật |
| Ứng dụng tự động hóa công nghiệp, mạng gia đình, viễn thông, công nghiệp .... | IT, đồng bộ thời gian độ chính xác cao |
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.