Цифровата подстанция е тенденция в енергийната индустрия. Ако сте близо до темата, вероятно сте чували, че голямо количество данни се предава под формата на мултикаст потоци. Но знаете ли как да управлявате тези мултикаст потоци? Какви инструменти за контрол на потока се използват? Какво препоръчва наредбата?
Всеки, който се интересува от разбирането на тази тема, е добре дошъл под разреза!
Как се предават данните по мрежата и защо да управлявате мултикаст потоци?
Преди да пристъпя директно към цифровата подстанция и нюансите на изграждането на LAN, предлагам кратка образователна програма за видовете пренос на данни и протоколите за пренос на данни за работа с потоци за мултикаст. Скрихме образователната програма под спойлера.
Видове трансфер на данни
Типове LAN трафик
Има четири вида трансфер на данни:
- Излъчване - излъчване.
- Unicast е обмен на съобщения между две устройства.
- Multicast - изпращане на съобщения до определена група устройства.
- Unknown Unicast - Излъчване за намиране на едно устройство.
За да не объркаме картите, нека поговорим накратко за другите три вида предаване на данни, преди да преминем към мултикаст.
Първо, нека си припомним, че в рамките на LAN адресирането между устройствата се основава на MAC адреси. Всяко предадено съобщение има полета SRC MAC и DST MAC.
SRC MAC – MAC източник – MAC адрес на източник.
DST MAC - дестинация MAC - дестинация MAC адрес.
Превключвателят, базиран на тези полета, предава съобщения. Той разглежда DST MAC, намира го в своята таблица с MAC адреси и изпраща съобщение до порта, посочен в таблицата. Гледа и SRC MAC. Ако в таблицата няма такъв MAC адрес, тогава се добавя нова двойка "MAC адрес - порт".
Сега нека поговорим повече за видовете пренос на данни.
с единично
Unicast е адресното прехвърляне на съобщения между две устройства. Всъщност това е пренос на данни от точка до точка. С други думи, две устройства винаги използват Unicast, за да комуникират помежду си.
Изпращане на Unicast трафик
Предавания
Излъчването си е предаване. Тези. излъчване, когато едно устройство изпраща съобщение до всички други устройства в мрежата.
За да изпрати излъчено съобщение, подателят посочва DST MAC адреса като FF:FF:FF:FF:FF:FF.
Предаване на излъчван трафик
Неизвестен Unicast
Unknown Unicast на пръв поглед е много подобен на Broadcast. Но има разлика между тях - съобщението се изпраща до всички членове на мрежата, но е предназначено само за едно устройство. Това е като съобщение в търговския център, което ви моли да паркирате отново колата си. Всички ще чуят това съобщение, но само един ще отговори.
Когато комутаторът получи рамка и не може да намери дестинационния MAC от нея в таблицата с MAC адреси, той просто изпраща това съобщение до всички портове, с изключение на този, от който го е получил. Само едно устройство ще отговори на такъв пощенски списък.
Изпращане на неизвестен Unicast трафик
Multicast
Мултикастът изпраща съобщение до група устройства, които „искат“ да получат тези данни. Много прилича на уебинар. Излъчва се в целия интернет, но само тези хора, които се интересуват от тази тема, се свързват с него.
Този модел на трансфер на данни се нарича издател-абонат. Има един издател, който изпраща данни, а абонатите, които искат да получават тези данни, се абонират за тях.
При мултикастинг съобщението се изпраща от реално устройство. MAC източникът в рамката е MAC на подателя. Но като дестинация MAC - виртуален адрес.
Устройството трябва да се свърже с група, за да получава данни от нея. Превключвателят пренасочва информационните потоци между устройствата - той помни от кои портове се предават данните и знае към кои портове трябва да бъдат изпратени тези данни.
Предаване на мултикаст трафик
Важен момент е, че IP адресите се използват по-често като виртуални групи, но тъй като в контекста на тази статия говорим за енергия, след това ще говорим за MAC адреси. Във фамилията IEC 61850 протоколи, които се използват за цифровата подстанция, групирането се извършва въз основа на MAC адреси.
Кратка образователна програма за MAC адреса
MAC адресът е 48-битова стойност, която уникално идентифицира устройството. Той е разделен на 6 октета. Първите три октета съдържат информация за производителя. Октети 4, 5 и 6 се присвояват от производителя и са номера на устройството.
Структура на MAC адреса
В първия октет осмият бит определя дали даденото съобщение е unicast или multicast. Ако осмият бит е 0, тогава този MAC адрес е адресът на реално физическо устройство.
И ако осмият бит е 1, тогава този MAC адрес е виртуален. Тоест този MAC адрес не принадлежи на реално физическо устройство, а на виртуална група.
Една виртуална група може да се сравни с излъчваща кула. Радиокомпанията излъчва музика към тази кула, а желаещите да я слушат настройват приемниците на желаната честота.
Също така, например, IP видеокамера изпраща данни към виртуална група и тези устройства, които искат да получат тези данни, се свързват с тази група.
Осми бит от първия октет на MAC адреса
Ако превключвателят не поддържа мултикаст, тогава той ще възприеме мултикаст потока като излъчване. Съответно, ако има много такива потоци, тогава много бързо ще задръстим мрежата с "боклук" трафик.
Каква е същността на мултикаст?
Основната идея на мултикаст е, че само едно копие на трафика се изпраща от устройството. Превключвателят определя на кои портове са абонатите и препраща данните от подателя към тях. По този начин мултикастът може значително да намали данните, предавани по мрежата.
Как работи в реална локална мрежа?
Ясно е, че не е достатъчно просто да изпратите едно копие на трафика към някакъв MAC адрес, осмият бит от първия октет е 1. Абонатите трябва да могат да се свързват към тази група. И комутаторите трябва да разберат от кои портове идват данните и към кои портове трябва да бъдат предадени. Само тогава мултикастът ще оптимизира мрежите и ще управлява потоците.
За реализиране на тази функционалност има мултикаст протоколи. Най-често:
- IGMP.
- PIM.
В тази статия ще ви разкажем за общия принцип на тези протоколи по тангенциален начин.
IGMP
IGMP-активиран превключвател запомня на кой порт е мултикаст потокът. Абонатите трябва да изпратят IMGP съобщение за присъединяване, за да се присъединят към групата. Комутаторът добавя порта, от който идва IGMP Join, към списъка с интерфейси надолу по веригата и започва да изпраща мултикаст потока там. Комутаторът непрекъснато изпраща IGMP Query съобщения до портовете надолу по веригата, за да провери дали трябва да продължи да предава данни. Ако от порта се получи съобщение за напускане на IGMP или няма отговор на съобщението за заявка за IGMP, излъчването към него спира.
PIM
Протоколът PIM има две реализации:
- PIMDM.
- PIMSM.
Протоколът PIM DM работи обратно в сравнение с IGMP. Суичът първоначално изпраща мултикаст поток като излъчване - до всички портове, с изключение на този, от който е получен. След това деактивира потока на онези портове, от които идват съобщения, че не е необходим.
PIM SM е подобен по принцип на IGMP.
Ако обобщите много грубо общия принцип на работа с мултикаст - Издателят изпраща мултикаст поток към определена MAC група, абонатите изпращат заявки за връзка към тази група, комутаторите контролират тези потоци.
Защо преминахме към мултикаст толкова повърхностно? Нека поговорим за спецификата на LAN на цифровата подстанция, за да разберем това.
Какво е цифрова подстанция и защо е необходим мултикаст там?
Преди да говорите за LAN на цифровата подстанция, трябва да разберете какво е цифрова подстанция. Тогава отговори на въпроса:
- Кой участва в трансфера на данни?
- Какви данни се прехвърлят към LAN?
- Каква е типичната LAN архитектура?
И след това обсъдете мултикаст ...
Какво е цифрова подстанция?
Цифрова подстанция е подстанция, всички системи на която са с много високо ниво на автоматизация. Цялото вторично и основно оборудване на такава подстанция е насочено към цифрово предаване на данни. Обменът на данни е изграден в съответствие с протоколите за предаване, описани в стандарта IEC 61850.
Съответно всички данни се предават тук в цифрова форма:
- Измерване.
- диагностична информация.
- Контролни команди.
Тази тенденция е много развита в руския енергиен сектор и сега се прилага навсякъде. През 2019 и 2020 г. се появиха много нормативни документи, които регулират създаването на цифрова подстанция на всички етапи на развитие. Например STO 34.01-21-004-2019 PJSC "Rosseti" определя следното определение и критерии за CPS:
определение:
Цифрова подстанция - автоматизирана подстанция, оборудвана с цифрови информационни и управляващи системи, взаимодействащи в единен времеви режим и функциониращи без присъствието на постоянен дежурен персонал.
критерии:
- дистанционно наблюдение на параметрите и режимите на работа на оборудването и системите, необходими за нормална работа, без постоянно присъствие на дежурен и обслужващ персонал;
- осигуряване на дистанционно управление на оборудването и системите за работа на подстанцията без постоянно присъствие на дежурен и поддържащ персонал;
- високо ниво на автоматизация на управлението на оборудването и системите с помощта на интелигентни системи за управление на режимите на работа на оборудването и системите;
- дистанционно управление на всички технологични процеси в еднократен режим;
- обмен на цифрови данни между всички технологични системи в единен формат;
- интегриране в електрическата мрежа и системата за управление на предприятието, както и осигуряване на цифрово взаимодействие със съответните инфраструктурни организации (със свързани съоръжения);
- функционална и информационна сигурност при цифровизацията на технологичните процеси;
- непрекъснат мониторинг на състоянието на основното технологично оборудване и системи онлайн с предаване на необходимото количество цифрови данни, контролирани параметри и сигнали.
Кой участва в трансфера на данни?
Цифровата подстанция включва следните системи:
- Системи за релейна защита. Релейната защита на практика е "сърцето" на цифровата подстанция. Терминалите за релейна защита вземат стойности на тока и напрежението от измервателните системи. Въз основа на тези данни терминалите разработват вътрешната логика на защита. Терминалите комуникират помежду си, за да предават информация за задействаните защити, позициите на превключващите устройства и др. Терминалите също изпращат информация за настъпилите събития към APCS сървъра. Общо има няколко вида комуникация:
▸Хоризонтална връзка – комуникация между терминали.
▸Вертикална връзка – комуникация с APCS сървъра.
▸Измервания – комуникация с измервателни уреди.
- Системи за търговско измерване на електроенергия.Търговските счетоводни системи комуникират само с измервателни уреди.
- Системи за диспечерски контрол.Частични данни трябва да бъдат изпратени от сървъра на APCS и от сървъра за търговско измерване до контролната зала.
Това е много опростен списък от системи, които комуникират в рамките на цифровата подстанция. Ако се интересувате да се задълбочите в тази тема, пишете в коментарите.
Нека поговорим за това отделно
Какви данни се прехвърлят към LAN?
За да се комбинират описаните системи помежду си и да се организира хоризонтална и вертикална комуникация, както и пренос на измервания, се организират автобуси. Засега нека се съгласим, че всяка шина е само отделна LAN на индустриални Ethernet комутатори.
Структурна схема на електрическо съоръжение в съответствие с IEC 61850
Гумите са показани на блоковата диаграма:
- Мониторинг/Контрол.
- Релейно предаване на сигнал.
- Предаване на моментни стойности на напрежения и токове.
Релейните терминали участват както в хоризонтална, така и във вертикална комуникация и също така използват измервания, така че са свързани към всички шини.
Чрез шината "Предаване на сигнали RZA" терминалите предават информация помежду си. Тези. има хоризонтална връзка.
Чрез автобуса "Прехвърляне на моментни стойности на напрежения и токове" се осъществява прехвърлянето на измерванията. Към тази шина са свързани измервателни уреди - токови и напреженови трансформатори, както и клеми за релейна защита.
Също така сървърът ASKUE е свързан към шината „Предаване на моментни стойности на напрежения и токове“, която също прави измервания за отчитане.
А шината "Мониторинг / Контрол" се използва за вертикална комуникация. Тези. чрез него терминалите изпращат различни събития към APCS сървъра, а сървърът също изпраща команди за управление към терминалите.
От APCS сървъра данните се изпращат до контролната зала.
Каква е типичната LAN архитектура?
Нека да преминем от абстрактна и доста условна блокова схема към по-обикновени и реални неща.
Диаграмата по-долу показва сравнително стандартна LAN архитектура за цифрова подстанция.
Архитектура на цифровата подстанция
При подстанции от 6 kV или 35 kV мрежата ще бъде по-проста, но ако говорим за подстанции от 110 kV, 220 kV и повече, както и за LAN на електроцентрали, тогава архитектурата ще съответства на показаната.
Архитектурата е разделена на три нива:
- Ниво станция/подстанция.
- Ниво на привързаност.
- Ниво на процеса.
Ниво станция/подстанция включва работни станции и сървъри.
Ниво на връзка включва цялото технологично оборудване.
Ниво на процеса включва измервателно оборудване.
Има и две шини за комбиниране на нива:
- Автобус гара/подстанция.
- Процесна шина.
Шината на станцията/подстанцията съчетава функциите на шината за наблюдение/контрол и шината за релейна защита и защита. И автобусът на процеса изпълнява функциите на автобуса "Прехвърляне на моментни стойности на напрежение и ток".
Характеристики на мултикаст предаване в цифрова подстанция
Какви данни се предават чрез мултикаст?
Хоризонталната комуникация и предаването на измервания в рамките на цифровата подстанция се осъществява чрез архитектурата издател-абонат. Тези. Терминалите за релейна защита използват мултикаст потоци за обмен на съобщения помежду си, а измерванията също се предават чрез мултикаст.
Преди цифровата подстанция в енергийната индустрия хоризонталната комуникация се осъществяваше чрез комуникация от точка до точка между терминали. Като интерфейс е използван меден или оптичен кабел. Данните бяха прехвърлени с помощта на патентовани протоколи.
Към тази връзка бяха поставени много високи изисквания, т.к. по тези канали се предават сигнали за работа на защитата, позиции на комутационни устройства и др. От тази информация зависеше алгоритъмът за оперативно блокиране на терминалите.
Ако данните се предават бавно или не са гарантирани, има голяма вероятност някой от терминалите да не получи актуална информация за текущата ситуация и може да даде сигнал за изключване или включване на превключващото устройство, когато, за например ще бъде извършена известна работа по него. Или повредата на прекъсвача няма да работи навреме и късото съединение ще се разпространи в останалата част от електрическата верига. Всичко това е изпълнено с големи парични загуби и заплаха за човешкия живот.
Следователно данните трябваше да бъдат предадени:
- Надеждно.
- Гарантирано.
- Бързо.
Сега вместо комуникация от точка до точка се използва автобусът станция/подстанция, т.е. LAN. И данните се предават с помощта на протокола GOOSE, който е описан от стандарта IEC 61850 (в IEC 61850-8-1, за да бъдем по-точни).
GOOSE означава General Object Oriented Substation Event, но това декодиране вече не е много уместно и не носи семантичен товар.
В рамките на този протокол терминалите за релейна защита обменят GOOSE съобщения помежду си.
Преходът от връзка от точка до точка към LAN не промени подхода. Данните все още трябва да се прехвърлят сигурно, надеждно и бързо. Следователно, за GOOSE съобщения се използва малко необичаен механизъм за пренос на данни. За него малко по-късно.
Измерванията, както вече обсъдихме, също се предават чрез мултикаст потоци. В терминологията на DSP тези потоци се наричат SV потоци (Sampled Value).
SV потоците са съобщения, съдържащи определен набор от данни и предавани непрекъснато с определен период. Всяко съобщение съдържа измерване в определен момент от време. Измерванията се извършват с определена честота - честотата на дискретизация.
Честотата на семплиране е честотата на семплиране на непрекъснат във времето сигнал по време на неговото семплиране.
Честота на дискретизация 80 проби в секунда
Съставът на SV потоците е описан в IEC61850-9-2 LE.
SV потоците се предават през шината на процеса.
Процесната шина е комуникационна мрежа, която осигурява обмен на данни между измервателни устройства и устройства на ниво залив. Правилата за обмен на данни (моментен ток и напрежение) са описани в стандарта IEC 61850-9-2 (в момента се използва профилът IEC 61850-9-2 LE).
SV потоците, като GOOSE съобщенията, трябва да се предават бързо. Ако измерванията се предават бавно, тогава клемите може да не получат стойността на тока или напрежението, необходима за задействане на защитата навреме, и тогава късото съединение ще се разпространи в голяма част от електрическата мрежа и ще причини големи щети.
Защо е необходим мултикаст?
Както бе споменато по-горе, за да се покрият изискванията за предаване на данни за хоризонтални комуникации, GOOSE се предават донякъде необичайно.
Първо, те се предават на ниво връзка и имат свой собствен Ethertype - 0x88b8. Това гарантира висока скорост на трансфер на данни.
Сега е необходимо да затворите изискванията за гаранция и надеждност.
Очевидно, за да сме сигурни, е необходимо да разберем дали съобщението е доставено, но не можем да организираме изпращането на потвърждения за получаване, както например се прави в TCP. Това значително ще намали скоростта на трансфер на данни.
Следователно за GOOSE предаване се използва архитектура издател-абонат.
Архитектура издател-абонат
Устройството изпраща GOOSE съобщение до автобуса и абонатите получават съобщението. Освен това съобщението се изпраща с постоянно време T0. Ако възникне събитие, се генерира ново съобщение, независимо дали предишният период T0 е приключил или не. Следващото съобщение с нови данни се генерира след много кратък период от време, след това след малко по-дълъг и т.н. В резултат на това времето се увеличава до T0.
Принципът на предаване на GOOSE съобщения
Абонатът знае от кого получава съобщения и ако не е получил съобщение от някого след време T0, тогава генерира съобщение за грешка.
SV потоците също се предават на ниво връзка, имат собствен Ethertype - 0x88BA и се предават според модела Publisher-Subscriber.
Нюанси на мултикаст предаване в цифровата подстанция
Но "енергийното" мултикаст има свои собствени нюанси.
Нюанс 1. GOOSE и SV имат свои собствени мултикаст групи
За "енергиен" мултикаст техните групи се използват за разпределение.
В телекома диапазонът 224.0.0.0/4 се използва за мултикастинг (с редки изключения има запазени адреси). Но самият стандарт IEC 61850 и корпоративният профил IEC 61850 от FGC PJSC определят свои собствени обхвати за мултикаст.
За SV потоци: 01-0C-CD-04-00-00 до 01-0C-CD-04-FF-FF.
За GOOSE съобщения: 01-0C-CD-04-00-00 до 01-0C-CD-04-FF-FF.
Нюанс 2. Терминалите не използват мултикаст протоколи
Вторият нюанс е много по-важен - терминалите за релейна защита не поддържат IGMP или PIM. Тогава как работят с мултикаст? Те просто чакат необходимата информация да бъде изпратена до пристанището. Тези. ако знаят, че са абонирани за определен MAC адрес, тогава приемат всички входящи рамки, но обработват само необходимите. Останалите просто се изхвърлят.
С други думи, цялата надежда се възлага на превключвателите. Но как ще работят IGMP или PIM, ако терминалите не изпращат съобщения за присъединяване? Отговорът е лесен – няма как.
И SV потоците са доста тежки данни. Един поток тежи около 5 Mbps. И ако всичко се остави както е, се оказва, че всеки поток ще бъде излъчен. С други думи, ще изтеглим само 20 потока на 100 Mbps LAN. А броят на SV-потоците в голяма подстанция се измерва в стотици.
Тогава какъв е изходът?
Просто - използвайте старите проверени VLAN.
Освен това IGMP в LAN на цифровата подстанция може да изиграе жестока шега и обратното, нищо няма да работи. В крайна сметка превключвателите без заявка няма да започнат да предават потоци.
Следователно може да се разграничи просто правило за пускане в експлоатация - „Мрежата не работи? – Деактивирайте IGMP!“
Нормативна база
Но може би все още е възможно по някакъв начин да се организира LAN на цифрова подстанция на базата на мултикаст? Нека се опитаме да се обърнем към регулаторната документация за LAN. По-специално ще цитирам извадки от следните SRTs:
- STO 34.01-21-004-2019 - ЦЕНТЪР ЗА ЦИФРОВО ДОСТАВКА. ИЗИСКВАНИЯ ЗА ТЕХНОЛОГИЧНО ПРОЕКТИРАНЕ НА ЦИФРОВИ ПОДСТАНЦИИ НА НАПРЕЖЕНИЕ 110-220 kV И ВЪЗЛОВИ ЦИФРОВИ ПОДСТАНЦИИ НА НАПРЕЖЕНИЕ 35 kV.
- STO 34.01-6-005-2019 - ПРЕВКЛЮЧВАТЕЛИ НА ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ОБЕКТИ. Общи технически изисквания.
- STO 56947007-29.240.10.302-2020 - Типични технически изисквания за организацията и работата на технологичните локални мрежи в АСУТП на подстанция UNEG.
Нека първо да видим какво може да се намери в тези SRT за мултикаст? Споменаването е само в най-новата сервизна станция от PJSC FGC UES. Сервизната станция иска по време на тестовете за приемане на LAN да провери дали VLAN са конфигурирани правилно и да провери липсата на мултикаст трафик в портовете на комутаторите, които не са посочени в работната документация.
Е, сервизът също предписва обслужващият персонал да знае какво е мултикаст.
Това е всичко за мултикаст...
Сега нека видим какво може да се намери в тези SRT за VLAN.
Тук и тримата STO са съгласни, че комутаторите трябва да поддържат VLAN, базирани на IEEE 802.1Q.
STO 34.01-21-004-2019 казва, че VLAN трябва да се използват за контрол на потока и с помощта на VLAN трафикът трябва да бъде разделен на релейна защита, системи за контрол на процеси, AIIS KUE, видеонаблюдение, комуникации и др.
Освен това STO 56947007-29.240.10.302-2020 все още изисква изготвянето на карта за разпространение на VLAN по време на проектирането. В същото време сервизът предлага своите диапазони от IP адреси и VLAN за DSP оборудване.
CTO също предоставя таблица с препоръчителни приоритети за различни VLAN мрежи.
Таблица с препоръчителни VLAN приоритети от STO 56947007-29.240.10.302-2020
От гледна точка на управлението на потока, това е всичко. Въпреки че има още много за обсъждане в тези станции - от различни архитектури до L3 настройки - определено ще направим това, но следващия път.
Сега нека обобщим контрола на потока в LAN на цифровата подстанция.
Заключение
В цифровата подстанция, въпреки факта, че се предават много мултикаст потоци, всъщност не се използват стандартни механизми за управление на мултикаст трафик (IGMP, PIM). Това се дължи на факта, че крайните устройства не поддържат никакви мултикаст протоколи.
За контрол на потока се използват добрите стари VLAN. В същото време използването на VLAN се регулира от нормативна документация, която предлага достатъчно разработени препоръки.
Полезни връзки:
.
Източник: www.habr.com