La subestació digital és una tendència en el sector energètic. Si esteu a prop del tema, probablement heu sentit que una gran quantitat de dades es transmeten en forma de fluxos multicast. Però, saps com gestionar aquests fluxos multicast? Quines eines de gestió de flux s'utilitzen? Què aconsella la documentació normativa?
Tothom que estigui interessat a entendre aquest tema és benvingut al gat!
Com es transmeten les dades a la xarxa i per què gestionar els fluxos de multidifusió?
Abans de passar directament a la subestació digital i els matisos de la construcció d'una LAN, ofereixo un breu programa educatiu sobre els tipus de transferència de dades i protocols de transferència de dades per treballar amb fluxos multicast. Hem amagat el programa educatiu sota un spoiler.
Tipus de transferència de dades
Tipus de trànsit en una LAN
Hi ha quatre tipus de transferència de dades:
- Broadcast - emissió.
- Unicast: missatgeria entre dos dispositius.
- Multicast: envia missatges a un grup específic de dispositius.
- Unicast desconegut: emissió amb l'objectiu de trobar un dispositiu.
Per no confondre les targetes, parlem breument dels altres tres tipus de transmissió de dades abans de passar a la multidifusió.
En primer lloc, recordem que dins d'una LAN, l'adreçament entre dispositius es fa en funció de les adreces MAC. Qualsevol missatge transmès té camps SRC MAC i DST MAC.
SRC MAC - origen MAC - adreça MAC del remitent.
DST MAC - MAC de destinació - adreça MAC del destinatari.
El commutador transmet missatges basats en aquests camps. Busca el MAC DST, el troba a la seva taula d'adreces MAC i envia un missatge al port que apareix a la taula. També mira SRC MAC. Si no hi ha aquesta adreça MAC a la taula, s'afegeix un nou parell "adreça MAC - port".
Ara parlem amb més detall sobre els tipus de transferència de dades.
Unicast
Unicast és la transmissió d'adreces de missatges entre dos dispositius. Bàsicament, es tracta d'una transferència de dades punt a punt. En altres paraules, dos dispositius sempre utilitzen Unicast per comunicar-se entre ells.
Transmissió de trànsit unicast
Transmetre
Broadcast és un missatge difós. Aquells. emissió, quan un dispositiu envia un missatge a tots els altres dispositius de la xarxa.
Per enviar un missatge d'emissió, l'emissor especifica l'adreça MAC de DST FF:FF:FF:FF:FF:FF.
Transmissió de trànsit de difusió
Unicast desconegut
Unknown Unicast, a primera vista, és molt semblant a Broadcast. Però hi ha una diferència entre ells: el missatge s'envia a tots els participants de la xarxa, però només està pensat per a un dispositiu. És com un missatge en un centre comercial que et demana que tornis a aparcar el cotxe. Tothom escoltarà aquest missatge, però només un respondrà.
Quan el commutador rep una trama i no pot trobar-ne el MAC de destinació a la taula d'adreces MAC, simplement emet aquest missatge a tots els ports excepte a aquell des del qual el va rebre. Només un dispositiu respondrà a aquest missatge.
Transmissió de trànsit unicast desconegut
multidifusió
La multidifusió és l'enviament d'un missatge a un grup de dispositius que "volen" rebre aquestes dades. És molt semblant a un seminari web. S'emet per Internet, però només s'hi connecten aquelles persones interessades en aquest tema.
Aquest model de transferència de dades s'anomena "Editor - Subscriptor". Hi ha un editor que envia dades i els subscriptors que volen rebre aquestes dades s'hi subscriuen.
Amb la transmissió multicast, el missatge s'envia des d'un dispositiu real. El MAC d'origen del marc és el MAC del remitent. Però el MAC de destinació és una adreça virtual.
El dispositiu s'ha de connectar al grup per rebre dades d'aquest. El commutador redirigeix els fluxos d'informació entre dispositius: recorda de quins ports es transmeten les dades i sap a quins ports s'han d'enviar aquestes dades.
Transmissió de trànsit multicast
Un punt important és que les adreces IP s'utilitzen sovint com a grups virtuals, però com que... Com que aquest article tracta sobre l'energia, parlarem de les adreces MAC. A la família de protocols IEC 61850 que s'utilitzen per a la subestació digital, la divisió en grups es basa en adreces MAC
Un breu programa educatiu sobre l'adreça MAC
L'adreça MAC és un valor de 48 bits que identifica de manera única un dispositiu. Està dividit en 6 octets. Els tres primers octets contenen informació del fabricant. Els octets 4, 5 i 6 els assigna el fabricant i són el número del dispositiu.
Estructura d'adreces MAC
En el primer octet, el vuitè bit determina si el missatge és unicast o multicast. Si el vuitè bit és 0, aquesta adreça MAC és l'adreça del dispositiu físic real.
I si el vuitè bit és 1, aquesta adreça MAC és virtual. És a dir, aquesta adreça MAC no pertany a un dispositiu físic real, sinó a un grup virtual.
Un equip virtual es pot comparar amb una torre de difusió. L'empresa de ràdio emet una mica de música a aquesta torre, i qui la vulgui escoltar sintonitza els seus receptors a la freqüència desitjada.
També, per exemple, una càmera de vídeo IP envia dades a un grup virtual, i aquells dispositius que volen rebre aquestes dades es connecten a aquest grup.
Vuitè bit del primer octet de l'adreça MAC
Si el suport de multidifusió no està habilitat al commutador, llavors percebrà el flux de multidifusió com una emissió. En conseqüència, si hi ha molts d'aquests fluxos, obstruirem molt ràpidament la xarxa amb trànsit "brossa".
Quina és l'essència del multicast?
La idea principal de la multidifusió és que només s'enviï una còpia del trànsit des del dispositiu. El commutador determina en quins ports estan els subscriptors i els transmet dades del remitent. Així, la multidifusió permet reduir significativament les dades transmeses a través de la xarxa.
Com funciona això en una LAN real?
Està clar que no n'hi ha prou amb enviar una còpia del trànsit a una adreça MAC el vuitè bit de la qual del primer octet és 1. Els subscriptors han de poder connectar-se a aquest grup. I els commutadors han d'entendre de quins ports provenen les dades i a quins ports s'han de transmetre. Només així la multidifusió permetrà optimitzar les xarxes i gestionar els fluxos.
Per implementar aquesta funcionalitat, hi ha protocols de multidifusió. Els més comuns:
- IGMP.
- PIM.
En aquest article, parlarem tangencialment del principi general de funcionament d'aquests protocols.
IGMP
Un commutador habilitat per IGMP recorda a quin port arriba el flux multicast. Els subscriptors han d'enviar un missatge IMGP Join per unir-se al grup. El commutador afegeix el port des del qual IGMP Join va sortir a la llista d'interfícies aigües avall i comença a transmetre el flux multicast allà. El commutador envia contínuament missatges de consulta IGMP als ports posteriors per comprovar si cal continuar transmetent dades. Si s'ha rebut un missatge IGMP Leave d'un port o no hi ha resposta a un missatge IGMP Query, s'atura l'emissió.
PIM
El protocol PIM té dues implementacions:
- PIM DM.
- PIM SM.
El protocol PIM DM funciona al revés d'IGMP. El commutador envia inicialment el flux de multidifusió com a emissió a tots els ports excepte el des del qual es va rebre. A continuació, desactiva el flux en aquells ports dels quals provenien els missatges que no era necessari.
PIM SM funciona a prop d'IGMP.
Per resumir de manera molt aproximada el principi general de l'operació de multidifusió: l'editor envia un flux de multidifusió a un grup MAC específic, els subscriptors envien sol·licituds per connectar-se a aquest grup, els commutadors gestionen aquests fluxos.
Per què vam recórrer el multicast tan superficialment? Parlem dels detalls de la LAN de la subestació digital per entendre-ho.
Què és una subestació digital i per què s'hi necessita la multidifusió?
Abans de parlar de la LAN de la subestació digital, cal entendre què és una subestació digital. Després respon les preguntes:
- Qui participa en la transferència de dades?
- Quines dades es transfereixen a la LAN?
- Quina és l'arquitectura LAN típica?
I després d'això, parleu de multicast...
Què és una subestació digital?
La Subestació Digital és una subestació en la qual tots els sistemes tenen un nivell d'automatització molt alt. Tots els equips secundaris i primaris d'aquesta subestació es centren en la transmissió de dades digitals. L'intercanvi de dades es construeix d'acord amb els protocols de transmissió descrits a l'estàndard IEC 61850.
En conseqüència, totes les dades es transmeten digitalment aquí:
- Mides.
- Informació de diagnòstic.
- Ordres de control.
Aquesta tendència ha rebut un gran desenvolupament al sector energètic rus i ara s'està implementant a tot arreu. El 2019 i el 2020 van aparèixer molts documents normatius que regulen la creació d'una Subestació Digital en totes les etapes de desenvolupament. Per exemple, STO 34.01-21-004-2019 PJSC "Rosseti" defineix la definició i els criteris següents per a una estació de servei central:
Definició:
La subestació digital és una subestació automatitzada equipada amb sistemes d'informació i control digitals que interactuen en un sol mode de temps i que funcionen sense la presència de personal permanent.
Criteris:
- observabilitat remota dels paràmetres i modes de funcionament dels equips i sistemes necessaris per al funcionament normal sense la presència constant de personal operatiu de servei i manteniment;
- proporcionar telecontrol d'equips i sistemes per al funcionament de la subestació sense la presència constant de personal operatiu de servei i manteniment;
- alt nivell d'automatització de la gestió d'equips i sistemes mitjançant sistemes de control intel·ligents per als modes de funcionament d'equips i sistemes;
- control remot de tots els processos tecnològics en un sol mode de temps;
- intercanvi de dades digitals entre tots els sistemes tecnològics en un sol format;
- la integració a la xarxa elèctrica i el sistema de gestió empresarial, així com garantir la interacció digital amb les organitzacions d'infraestructura rellevants (amb instal·lacions relacionades);
- seguretat funcional i de la informació durant la digitalització dels processos tecnològics;
- seguiment continu de l'estat dels principals equips i sistemes tecnològics en línia amb la transmissió de la quantitat requerida de dades digitals, paràmetres controlats i senyals.
Qui participa en la transferència de dades?
La Subestació Digital inclou els sistemes següents:
- Sistemes de protecció de relés. La protecció de relés és pràcticament el "cor" de la subestació digital. Els terminals de protecció de relés prenen valors de corrent i tensió dels sistemes de mesura. A partir d'aquestes dades, els terminals treballen la lògica de protecció interna. Els terminals es comuniquen entre ells per transmetre informació sobre les proteccions activades, les posicions dels dispositius de commutació, etc. Els terminals també envien informació sobre esdeveniments que s'han produït al servidor ICS. En total, es poden distingir diversos tipus de comunicació:
▸Connexió horitzontal - Comunicació entre terminals.
▸Connexió vertical – comunicació amb el servidor del sistema de control de processos automatitzat.
▸Mesures – Comunicació amb aparells de mesura.
- Sistemes comercials de mesura de l'electricitat.Els sistemes de mesura de custòdia es comuniquen només amb aparells de mesura.
- Sistemes de control d'enviaments.Les dades parcials s'han d'enviar des del servidor del sistema de control de processos automatitzat i des del servidor de comptabilitat comercial al centre de control.
Aquesta és una llista molt simplificada de sistemes que intercanvien dades com a part d'una subestació digital. Si esteu interessats a aprofundir en aquest tema, escriviu als comentaris.
Us ho explicarem per separat 😉
Quines dades es transfereixen a la LAN?
Per combinar els sistemes descrits entre si i organitzar la comunicació horitzontal i vertical, així com la transferència de mesures, s'organitzen els autobusos. De moment, estem d'acord que cada bus és només una LAN independent als commutadors Ethernet industrials.
Esquema de blocs d'una instal·lació elèctrica d'acord amb IEC 61850
El diagrama de blocs mostra els pneumàtics:
- Seguiment/Control.
- Transmissió de senyals de protecció de relés.
- Transmissió de tensions i corrents instantànies.
Els terminals de relé de protecció participen tant en la comunicació horitzontal com vertical i també utilitzen mesures, de manera que estan connectats a tots els busos.
Mitjançant el bus "Transmissió de senyals de protecció de relés", els terminals transmeten informació entre ells. Aquells. aquí s'implementa una connexió horitzontal.
La transmissió de mesures es realitza mitjançant el bus "Transmissió de valors instantanis de tensions i corrents". A aquest bus es connecten aparells de mesura: transformadors de corrent i tensió, així com terminals de protecció de relés.
Així mateix, el servidor ASKUE està connectat al bus "Transmissió de valors instantanis de tensions i corrents", que també pren mesures per a la comptabilitat.
I el bus "Vigilància/Control" serveix per a la comunicació vertical. Aquells. a través d'ell, els terminals envien diversos esdeveniments al servidor ICS, i el servidor també envia ordres de control als terminals.
Des del servidor del sistema de control de processos automatitzat, les dades s'envien al centre de control.
Quina és l'arquitectura LAN típica?
Passem d'un diagrama estructural abstracte i més aviat convencional a coses més quotidianes i reals.
El diagrama següent mostra una arquitectura de LAN bastant estàndard per a una subestació digital.
Arquitectura de la subestació digital
A les subestacions de 6 kV o 35 kV la xarxa serà més senzilla, però si parlem de subestacions de 110 kV, 220 kV i superiors, així com de la LAN de centrals elèctriques, aleshores l'arquitectura correspondrà a la mostrada.
L'arquitectura es divideix en tres nivells:
- Nivell estació/subestació.
- Uneix-te al nivell.
- Nivell de procés.
Nivell estació/subestació inclou estacions de treball i servidors.
Uneix-te al nivell inclou tots els equips tecnològics.
Nivell de procés inclou equips de mesura.
També hi ha dos autobusos per combinar nivells:
- Estació/subestació d'autobús.
- Bus de procés.
El bus de l'estació/subestació combina les funcions del bus "Vigilància/Control" i el bus "Transmissió del senyal de protecció de relés". I el bus de procés realitza les funcions del bus "Transmissió de valors instantanis de tensió i corrent".
Característiques de la transmissió multicast en una subestació digital
Quines dades es transmeten mitjançant multicast?
La comunicació horitzontal i la transmissió de mesures dins de la Subestació Digital es duu a terme mitjançant l'arquitectura Publisher-Subscriber. Aquells. Els terminals de protecció de relés utilitzen fluxos multicast per intercanviar missatges entre ells, i les mesures també es transmeten mitjançant multicast.
Abans de la subestació digital del sector energètic, la comunicació horitzontal es va implementar mitjançant la comunicació punt a punt entre terminals. Com a interfície es va utilitzar un cable de coure o òptic. Les dades es van transmetre mitjançant protocols propietaris.
Es van fer exigències molt altes en aquesta connexió, perquè aquests canals transmetien senyals d'activació de protecció, posició dels dispositius de commutació, etc. L'algorisme per al bloqueig operatiu dels terminals depenia d'aquesta informació.
Si les dades es transmeten lentament o no es garanteixen, hi ha una alta probabilitat que un dels terminals no rebi informació actualitzada sobre la situació actual i pugui enviar un senyal per apagar o encendre el dispositiu de commutació quan, per exemple, , s'hi treballa una mica. O la fallada de l'interruptor no funcionarà a temps i el curtcircuit s'estendrà a la resta del circuit elèctric. Tot això està ple de grans pèrdues financeres i una amenaça per a la vida humana.
Per tant, les dades s'han hagut de transmetre:
- Fiable.
- Garantit.
- Ràpid.
Ara, en comptes de la comunicació punt a punt, s'utilitza un bus d'estació/subestació, és a dir. LAN. I les dades es transmeten mitjançant el protocol GOOSE, descrit per l'estàndard IEC 61850 (a IEC 61850-8-1, per ser més precisos).
GOOSE són les sigles de General Object Oriented Substation Event, però aquesta descodificació ja no és molt rellevant i no comporta cap càrrega semàntica.
Com a part d'aquest protocol, els terminals de protecció de relés intercanvien missatges GOOSE entre ells.
La transició de la comunicació punt a punt a una LAN no va canviar l'enfocament. Les dades encara s'han de transmetre de manera fiable, segura i ràpida. Per tant, els missatges GOOSE utilitzen un mecanisme de transmissió de dades una mica inusual. Més sobre ell més endavant.
Les mesures, com ja hem comentat, també es transmeten mitjançant fluxos multicast. En terminologia DSP, aquests fluxos s'anomenen fluxos SV (Valor mostrat).
Els fluxos SV són missatges que contenen un conjunt específic de dades i es transmeten contínuament durant un període determinat. Cada missatge conté una mesura en un moment concret. Les mesures es prenen a una freqüència determinada: la freqüència de mostreig.
La freqüència de mostreig és la freqüència de mostreig d'un senyal continu en el temps quan es mostreja.
Freqüència de mostreig 80 mostres per segon
La composició dels fluxos SV es descriu a IEC61850-9-2 LE.
Els fluxos SV es transmeten a través del bus de procés.
El bus de procés és una xarxa de comunicació que proporciona l'intercanvi de dades entre dispositius de mesura i dispositius de nivell de connexió. Les regles per a l'intercanvi de dades (valors instantanis de corrent i tensió) es descriuen a l'estàndard IEC 61850-9-2 (actualment s'utilitza el perfil IEC 61850-9-2 LE).
Els fluxos SV, com els missatges GOOSE, s'han de transmetre ràpidament. Si les mesures es transmeten lentament, és possible que els terminals no rebin el corrent o la tensió necessaris per activar la protecció a temps, i el curtcircuit s'estendrà a una gran part de la xarxa elèctrica i causarà grans danys.
Per què és necessària la multidifusió?
Com s'ha esmentat anteriorment, per cobrir els requisits de transmissió de dades per a la comunicació horitzontal, GOOSE es transmet de manera una mica inusual.
En primer lloc, es transmeten a nivell d'enllaç de dades i tenen el seu propi Ethertype: 0x88b8. Això garanteix altes taxes de transferència de dades.
Ara cal tancar els requisits de garantia i fiabilitat.
Evidentment, per estar segur, cal entendre si el missatge s'ha lliurat, però no podem organitzar l'enviament de confirmacions de recepció, com es fa, per exemple, en TCP. Això reduirà significativament la velocitat de transferència de dades.
Per tant, s'utilitza una arquitectura Editor-Subscriptor per transmetre GOOSE.
Arquitectura editor-subscriptor
El dispositiu envia un missatge GOOSE al bus i els subscriptors reben el missatge. A més, el missatge s'envia amb un temps constant T0. Si es produeix algun esdeveniment, es genera un missatge nou, independentment de si el període T0 anterior ha finalitzat o no. El següent missatge amb dades noves es genera després d'un període de temps molt curt, després d'un període una mica més llarg, etc. Com a resultat, el temps augmenta fins a T0.
El principi de transmissió de missatges GOOSE
L'abonat sap de qui rep els missatges, i si no ha rebut cap missatge d'algú després del temps T0, genera un missatge d'error.
Els fluxos SV també es transmeten a nivell d'enllaç, tenen el seu propi Ethertype - 0x88BA i es transmeten segons el model "Editor - Subscriptor".
Matisos de la transmissió multicast en una subestació digital
Però la multidifusió "energètica" té els seus propis matisos.
Nota 1. GOOSE i SV tenen els seus propis grups de multidifusió definits
Per a la multidifusió "energètica", s'utilitzen els seus propis grups de distribució.
En telecomunicacions, el rang 224.0.0.0/4 s'utilitza per a la distribució multicast (amb rares excepcions, hi ha adreces reservades). Però el propi estàndard IEC 61850 i el perfil corporatiu IEC 61850 de PJSC FGC defineixen els seus propis rangs de distribució multicast.
Per a fluxos SV: de 01-0C-CD-04-00-00 a 01-0C-CD-04-FF-FF.
Per als missatges GOOSE: del 01-0C-CD-04-00-00 al 01-0C-CD-04-FF-FF.
Punt 2. Els terminals no utilitzen protocols multicast
El segon matís és molt més significatiu: els terminals de protecció de relés no admeten IGMP ni PIM. Aleshores, com funcionen amb multicast? Simplement estan esperant que s'enviï la informació necessària al port. Aquells. si saben que estan subscrits a una adreça MAC específica, accepten totes les trames entrants, però processen només les necessàries. La resta simplement es descarten.
En altres paraules, tota esperança es basa en els interruptors. Però, com funcionarà IGMP o PIM si els terminals no envien missatges Join? La resposta és senzilla: de cap manera.
I els fluxos SV són dades força pesades. Un flux pesa uns 5 Mbit/s. I si tot queda com està, resulta que cada transmissió s'emetrà. En altres paraules, només tirarem 20 fluxos a una LAN de 100 Mbit/s. I el nombre de fluxos SV en una gran subestació es mesura en centenars.
Quina és la solució llavors?
Senzill: utilitzeu antigues VLAN provades.
A més, IGMP a la LAN de la subestació digital pot fer una broma cruel, i viceversa, res no funcionarà. Després de tot, els commutadors no començaran a transmetre fluxos sense una sol·licitud.
Per tant, podem destacar una simple regla de posada en marxa: “La xarxa no funciona? - Desactiva IGMP!"
Base normativa
Però potser encara és possible organitzar d'alguna manera una LAN per a una subestació digital basada en multicast? Intentem passar ara a la documentació normativa sobre LAN. En particular, citaré fragments de les següents STO:
- STO 34.01-21-004-2019 - CENTRE D'ENERGIA DIGITAL. REQUISITS PER AL DISSENY TECNOLÒGIC DE SUBESTACIONS DIGITALS AMB TENSIÓ 110-220 kV I SUBESTACIONS DIGITALS NODE AMB TENSIÓ 35 kV.
- STO 34.01-6-005-2019 – COMMUTADORS D'OBJECTES ENERGÈTICS. Requisits tècnics generals.
- STO 56947007-29.240.10.302-2020 - Requisits tècnics estàndard per a l'organització i el rendiment de les LAN tecnològiques en el sistema de control de processos de la subestació UNEG.
Vegem primer què es pot trobar en aquestes estacions de servei sobre multicast? Hi ha una menció només a l'últim STO de PJSC FGC UES. Durant les proves d'acceptació de la LAN, l'estació de servei us demana que comproveu si les VLAN estan configurades correctament i que no hi hagi trànsit multicast als ports de commutació que no s'especifiquen a la documentació de treball.
Bé, l'estació de servei també prescriu que el personal de servei ha de saber què és el multicast.
Això es tracta de multicast...
Ara vegem què podeu trobar en aquestes estacions de servei sobre les VLAN.
Aquí, les tres estacions de servei accepten que els commutadors han de suportar VLAN basades en IEEE 802.1Q.
STO 34.01-21-004-2019 diu que les VLAN s'han d'utilitzar per controlar els fluxos i, amb l'ajuda de les VLAN, el trànsit s'ha de dividir en protecció de relés, sistemes de control de processos automatitzats, AIIS KUE, videovigilància, comunicacions, etc.
STO 56947007-29.240.10.302-2020, a més, també requereix preparar un mapa de distribució de VLAN durant el disseny. Al mateix temps, l'estació de servei ofereix les seves gammes d'adreces IP i VLAN per a equips DSP.
L'STO també proporciona una taula de prioritats recomanades per a diferents VLAN.
Taula de prioritats de VLAN recomanades de STO 56947007-29.240.10.302-2020
Des d'una perspectiva de gestió del flux, això és tot. Tot i que encara hi ha molt per discutir en aquestes estacions de servei -des de diverses arquitectures fins a configuracions L3- ho farem sens dubte, però la propera vegada.
Ara resumim la gestió del flux a la LAN de la Subestació Digital.
Conclusió
A la subestació digital, malgrat que es transmeten molts fluxos multicast, els mecanismes estàndard de gestió del trànsit multicast (IGMP, PIM) no s'utilitzen realment. Això es deu al fet que els dispositius finals no admeten cap protocol de multidifusió.
Les VLAN antigues s'utilitzen per controlar els fluxos. Al mateix temps, l'ús de VLAN està regulat per la documentació normativa, que ofereix recomanacions bastant ben desenvolupades.
Enllaços útils:
.
Font: www.habr.com