La Subestación Digital es una tendencia en el sector energético. Si está cerca del tema, probablemente haya escuchado que una gran cantidad de datos se transmite en forma de transmisiones de multidifusión. ¿Pero sabes cómo gestionar estas transmisiones de multidifusión? ¿Qué herramientas de gestión de flujo se utilizan? ¿Qué aconseja la documentación reglamentaria?
¡Cualquiera que esté interesado en entender este tema es bienvenido al gato!
¿Cómo se transmiten los datos a través de la red y por qué gestionar flujos de multidifusión?
Antes de pasar directamente a la subestación digital y los matices de construir una LAN, ofrezco un breve programa educativo sobre los tipos de transferencia de datos y protocolos de transferencia de datos para trabajar con flujos de multidifusión. Ocultamos el programa educativo bajo un spoiler.
Tipos de transferencia de datos
Tipos de tráfico en una LAN
Hay cuatro tipos de transferencia de datos:
- Difusión – radiodifusión.
- Unicast: mensajería entre dos dispositivos.
- Multidifusión: envío de mensajes a un grupo específico de dispositivos.
- Unicast desconocido: transmisión con el objetivo de encontrar un dispositivo.
Para no confundir las tarjetas, hablemos brevemente de los otros tres tipos de transmisión de datos antes de pasar a la multidifusión.
En primer lugar, recordemos que dentro de una LAN el direccionamiento entre dispositivos se realiza en base a direcciones MAC. Cualquier mensaje transmitido tiene campos SRC MAC y DST MAC.
SRC MAC – MAC de origen – dirección MAC del remitente.
DST MAC – MAC de destino – dirección MAC del destinatario.
El conmutador transmite mensajes basados en estos campos. Busca la MAC de DST, la encuentra en su tabla de direcciones MAC y envía un mensaje al puerto que figura en la tabla. También mira SRC MAC. Si no existe dicha dirección MAC en la tabla, se agrega un nuevo par "dirección MAC - puerto".
Ahora hablemos con más detalle sobre los tipos de transferencia de datos.
Unidifusión
Unicast es la transmisión de direcciones de mensajes entre dos dispositivos. Básicamente, se trata de una transferencia de datos de punto a punto. En otras palabras, dos dispositivos siempre utilizan Unicast para comunicarse entre sí.
Transmisión de tráfico unidifusión
Radio
La difusión es un mensaje de difusión. Aquellos. transmisión, cuando un dispositivo envía un mensaje a todos los demás dispositivos de la red.
Para enviar un mensaje de difusión, el remitente especifica la dirección MAC de DST FF:FF:FF:FF:FF:FF.
Transmisión de tráfico de difusión
Unidifusión desconocida
Unknown Unicast, a primera vista, es muy similar a Broadcast. Pero hay una diferencia entre ellos: el mensaje se envía a todos los participantes de la red, pero está destinado a un solo dispositivo. Es como un mensaje en un centro comercial pidiéndote que vuelvas a aparcar el coche. Todos escucharán este mensaje, pero solo uno responderá.
Cuando el conmutador recibe una trama y no puede encontrar la MAC de destino en la tabla de direcciones MAC, simplemente transmite este mensaje a todos los puertos excepto a aquel de donde lo recibió. Sólo un dispositivo responderá a dicho correo.
Transmisión de tráfico Unicast desconocido
Multicast
La multidifusión es el envío de un mensaje a un grupo de dispositivos que “quieren” recibir estos datos. Es muy similar a un seminario web. Se retransmite a través de Internet, pero sólo se conectan aquellas personas que estén interesadas en este tema.
Este modelo de transferencia de datos se denomina “Editor – Suscriptor”. Hay un editor que envía datos y los suscriptores que desean recibir estos datos se suscriben.
Con la transmisión multidifusión, el mensaje se envía desde un dispositivo real. La MAC de origen en la trama es la MAC del remitente. Pero la MAC de destino es una dirección virtual.
El dispositivo debe conectarse al grupo para recibir datos del mismo. El conmutador redirige los flujos de información entre dispositivos: recuerda desde qué puertos se transmiten los datos y sabe a qué puertos se deben enviar estos datos.
Transmisión de tráfico Multicast
Un punto importante es que las direcciones IP se suelen utilizar como grupos virtuales, pero desde... Dado que este artículo trata sobre energía, hablaremos de direcciones MAC. En la familia de protocolos IEC 61850 que se utilizan para la Subestación Digital, la división en grupos se basa en direcciones MAC
Un breve programa educativo sobre la dirección MAC.
La dirección MAC es un valor de 48 bits que identifica de forma única un dispositivo. Está dividido en 6 octetos. Los primeros tres octetos contienen información del fabricante. Los octetos 4, 5 y 6 los asigna el fabricante y son el número del dispositivo.
Estructura de direcciones MAC
En el primer octeto, el octavo bit determina si el mensaje es unidifusión o multidifusión. Si el octavo bit es 0, entonces esta dirección MAC es la dirección del dispositivo físico real.
Y si el octavo bit es 1, entonces esta dirección MAC es virtual. Es decir, esta dirección MAC no pertenece a un dispositivo físico real, sino a un grupo virtual.
Un equipo virtual se puede comparar con una torre de transmisión. La compañía de radio transmite música a esta torre, y quienes quieren escucharla sintonizan sus receptores en la frecuencia deseada.
Además, por ejemplo, una cámara de vídeo IP envía datos a un grupo virtual, y aquellos dispositivos que quieran recibir estos datos se conectan a este grupo.
Octavo bit del primer octeto de la dirección MAC
Si la compatibilidad con multidifusión no está habilitada en el conmutador, percibirá la transmisión de multidifusión como una transmisión. En consecuencia, si hay muchos de estos flujos, muy rápidamente obstruiremos la red con tráfico "basura".
¿Cuál es la esencia de la multidifusión?
La idea principal de la multidifusión es que solo se envía una copia del tráfico desde el dispositivo. El conmutador determina en qué puertos están los suscriptores y les transmite datos desde el remitente. Por lo tanto, la multidifusión le permite reducir significativamente los datos transmitidos a través de la red.
¿Cómo funciona esto en una LAN real?
Está claro que no basta con enviar una copia del tráfico a alguna dirección MAC cuyo octavo bit del primer octeto sea 1. Los suscriptores deben poder conectarse a este grupo. Y los conmutadores deben comprender de qué puertos provienen los datos y a qué puertos deben transmitirse. Sólo así la multidifusión permitirá optimizar las redes y gestionar los flujos.
Para implementar esta funcionalidad, existen protocolos de multidifusión. Los más comunes:
- IGMP.
- PIM.
En este artículo hablaremos tangencialmente del principio general de funcionamiento de estos protocolos.
IGMP
Un conmutador habilitado para IGMP recuerda a qué puerto llega la transmisión de multidifusión. Los suscriptores deben enviar un mensaje IMGP Join para unirse al grupo. El conmutador agrega el puerto desde el cual llegó IGMP Join a la lista de interfaces descendentes y comienza a transmitir la secuencia de multidifusión allí. El conmutador envía continuamente mensajes de consulta IGMP a los puertos descendentes para comprobar si necesita continuar transmitiendo datos. Si se recibió un mensaje de salida IGMP desde un puerto o no hubo respuesta a un mensaje de consulta IGMP, se detiene la transmisión a ese puerto.
PIM
El protocolo PIM tiene dos implementaciones:
- PIMDM.
- PIMSM.
El protocolo PIM DM funciona a la inversa de IGMP. Inicialmente, el conmutador envía la secuencia de multidifusión como una transmisión a todos los puertos excepto a aquel desde el que se recibió. Luego desactiva el flujo en aquellos puertos de donde llegaron mensajes que no eran necesarios.
PIM SM opera cerca de IGMP.
Para resumir de manera muy aproximada el principio general de la operación de multidifusión: el editor envía una transmisión de multidifusión a un grupo MAC específico, los suscriptores envían solicitudes para conectarse a este grupo y los conmutadores administran estas transmisiones.
¿Por qué repasamos la multidifusión de forma tan superficial? Hablemos de los detalles de la LAN de la subestación digital para entender esto.
¿Qué es una subestación digital y por qué se necesita multidifusión allí?
Antes de hablar de la LAN de la Subestación Digital, es necesario comprender qué es una Subestación Digital. Luego responde las preguntas:
- ¿Quién interviene en la transferencia de datos?
- ¿Qué datos se transfieren a la LAN?
- ¿Cuál es la arquitectura LAN típica?
Y después de eso hablaremos de multidifusión...
¿Qué es una Subestación Digital?
Subestación Digital es una subestación en la que todos los sistemas tienen un nivel de automatización muy alto. Todo el equipo secundario y primario de dicha subestación está enfocado a la transmisión de datos digitales. El intercambio de datos se construye de acuerdo con los protocolos de transmisión descritos en el estándar IEC 61850.
Por lo tanto, todos los datos se transmiten digitalmente aquí:
- Mediciones.
- Información de diagnóstico.
- Comandos de control.
Esta tendencia se ha desarrollado mucho en el sector energético ruso y ahora se está implementando en todas partes. En 2019 y 2020 aparecieron numerosos documentos reglamentarios que regulan la creación de una Subestación Digital en todas las etapas de desarrollo. Por ejemplo, STO 34.01-21-004-2019 PJSC "Rosseti" define la siguiente definición y criterios para una estación de servicio central:
Definicion
La subestación digital es una subestación automatizada equipada con sistemas de control e información digitales que interactúan en un solo modo de tiempo y operan sin la presencia de personal de servicio permanente.
Criterios
- observabilidad remota de los parámetros y modos de operación de equipos y sistemas necesarios para el funcionamiento normal sin la presencia constante de personal operativo de servicio y mantenimiento;
- proporcionar telecontrol de equipos y sistemas para operar subestaciones sin la presencia constante de personal operativo de servicio y mantenimiento;
- alto nivel de automatización de la gestión de equipos y sistemas utilizando sistemas de control inteligentes para los modos de funcionamiento de equipos y sistemas;
- control remoto de todos los procesos tecnológicos en un solo modo de tiempo;
- intercambio de datos digitales entre todos los sistemas tecnológicos en un único formato;
- integración en la red eléctrica y el sistema de gestión empresarial, así como garantizar la interacción digital con las organizaciones de infraestructura relevantes (con instalaciones relacionadas);
- seguridad funcional y de la información durante la digitalización de procesos tecnológicos;
- Monitoreo continuo del estado de los principales equipos y sistemas tecnológicos en línea con la transmisión de la cantidad requerida de datos digitales, parámetros y señales controlados.
¿Quién interviene en la transferencia de datos?
La Subestación Digital incluye los siguientes sistemas:
- Sistemas de protección por relés. La protección de relés es prácticamente el “corazón” de la Subestación Digital. Los terminales de protección de relés toman valores de corriente y voltaje de los sistemas de medición. A partir de estos datos, los terminales elaboran la lógica de protección interna. Los terminales se comunican entre sí para transmitir información sobre protecciones activadas, posiciones de dispositivos de conmutación, etc. Los terminales también envían información sobre eventos ocurridos al servidor ICS. En total se pueden distinguir varios tipos de comunicación:
▸Conexión horizontal – comunicación entre terminales.
▸Conexión vertical – comunicación con el servidor del sistema automatizado de control de procesos.
▸Mediciones – comunicación con dispositivos de medición.
- Sistemas comerciales de medición de electricidad.Los sistemas de medición de custodia se comunican únicamente con los dispositivos de medición.
- Sistemas de control de despacho.Los datos parciales deben enviarse desde el servidor del sistema automatizado de control de procesos y desde el servidor de contabilidad comercial al centro de control.
Esta es una lista muy simplificada de sistemas que intercambian datos como parte de una Subestación Digital. Si estás interesado en profundizar más en este tema, escribe en los comentarios.
Te lo contamos por separado 😉
¿Qué datos se transfieren a la LAN?
Para combinar los sistemas descritos entre sí y organizar la comunicación horizontal y vertical, así como la transferencia de medidas, se organizan autobuses. Por ahora, aceptemos que cada bus es solo una LAN separada en conmutadores Ethernet industriales.
Diagrama de bloques de una instalación de energía eléctrica según IEC 61850
El diagrama de bloques muestra los neumáticos:
- Monitoreo/Control.
- Transmisión de señales de protección de relés.
- Transmisión de tensiones y corrientes instantáneas.
Los terminales de relé de protección participan tanto en la comunicación horizontal como vertical y también utilizan medidas, por lo que están conectados a todos los buses.
A través del bus “Transmisión de señales de protección de relés”, los terminales se transmiten información entre sí. Aquellos. aquí se implementa una conexión horizontal.
La transmisión de medidas se implementa a través del bus “Transmisión de valores instantáneos de tensiones y corrientes”. Los dispositivos de medición (transformadores de corriente y tensión, así como terminales de protección de relés) están conectados a este bus.
Además, el servidor ASKUE está conectado al bus “Transmisión de valores instantáneos de tensiones y corrientes”, que también toma medidas para contabilidad.
Y el bus “Monitoreo/Control” sirve para la comunicación vertical. Aquellos. a través de él, los terminales envían varios eventos al servidor ICS, y el servidor también envía comandos de control a los terminales.
Desde el servidor del sistema automatizado de control de procesos, los datos se envían al centro de control.
¿Cuál es la arquitectura LAN típica?
Pasemos de un diagrama estructural abstracto y bastante convencional a cosas más mundanas y reales.
El siguiente diagrama muestra una arquitectura LAN bastante estándar para una subestación digital.
Arquitectura de subestaciones digitales
En las subestaciones de 6 kV o 35 kV, la red será más sencilla, pero si hablamos de subestaciones de 110 kV, 220 kV y superiores, así como de la LAN de las centrales, entonces la arquitectura corresponderá a la que se muestra.
La arquitectura se divide en tres niveles:
- Nivel de estación/subestación.
- Únete al nivel.
- Nivel de proceso.
Nivel de estación/subestación Incluye estaciones de trabajo y servidores.
Únete al nivel Incluye todo el equipamiento tecnológico.
Nivel de proceso Incluye equipo de medición.
También hay dos autobuses para combinar niveles:
- Autobús estación/subestación.
- Autobús de proceso.
El bus estación/subestación combina las funciones del bus “Monitoreo/Control” y del bus “Transmisión de señal de protección de relé”. Y el bus de proceso realiza las funciones del bus “Transmisión de valores instantáneos de tensión y corriente”.
Características de la transmisión Multicast en una Subestación Digital
¿Qué datos se transmiten mediante multidifusión?
La comunicación horizontal y transmisión de medidas dentro de la Subestación Digital se realiza mediante la arquitectura Publicador-Suscriptor. Aquellos. Los terminales de protección de retransmisión utilizan flujos de multidifusión para intercambiar mensajes entre ellos y las mediciones también se transmiten mediante multidifusión.
Antes de la subestación digital en el sector energético, la comunicación horizontal se implementaba mediante comunicación punto a punto entre terminales. Como interfaz se utilizó un cable de cobre u óptico. Los datos se transmitieron utilizando protocolos propietarios.
A esta conexión se le pusieron exigencias muy altas, ya que estos canales transmitían señales de activación de protección, posición de dispositivos de conmutación, etc. De esta información dependía el algoritmo para el bloqueo operativo de terminales.
Si los datos se transmiten lentamente o no están garantizados, existe una alta probabilidad de que uno de los terminales no reciba información actualizada sobre la situación actual y pueda enviar una señal para apagar o encender el dispositivo de conmutación cuando, por ejemplo , se realizan algunos trabajos en él. O la falla del disyuntor no funcionará a tiempo y el cortocircuito se extenderá al resto del circuito eléctrico. Todo esto conlleva grandes pérdidas financieras y una amenaza para la vida humana.
Por tanto, los datos debían transmitirse:
- Confiable.
- Garantizado.
- Rápidamente.
Ahora, en lugar de comunicación punto a punto, se utiliza un bus de estación/subestación, es decir LAN. Y los datos se transmiten mediante el protocolo GOOSE, que se describe en el estándar IEC 61850 (en IEC 61850-8-1, para ser más precisos).
GOOSE significa Evento general de subestación orientado a objetos, pero esta decodificación ya no es muy relevante y no conlleva ninguna carga semántica.
Como parte de este protocolo, los terminales de protección de retransmisión intercambian mensajes GOOSE entre sí.
La transición de la comunicación punto a punto a una LAN no cambió el enfoque. Los datos aún deben transmitirse de forma fiable, segura y rápida. Por tanto, los mensajes GOOSE utilizan un mecanismo de transmisión de datos algo inusual. Más sobre él más adelante.
Las mediciones, como ya hemos comentado, también se transmiten mediante flujos de multidifusión. En terminología DSP, estos flujos se denominan flujos SV (valor muestreado).
Los flujos SV son mensajes que contienen un conjunto específico de datos y se transmiten continuamente durante un período determinado. Cada mensaje contiene una medición en un momento específico. Las mediciones se toman a una frecuencia determinada: la frecuencia de muestreo.
La frecuencia de muestreo es la frecuencia de muestreo de una señal continua en el tiempo al muestrearla.
Frecuencia de muestreo 80 muestras por segundo
La composición de los flujos SV se describe en IEC61850-9-2 LE.
Los flujos SV se transmiten a través del bus de proceso.
El bus de proceso es una red de comunicación que proporciona intercambio de datos entre dispositivos de medición y dispositivos de nivel de conexión. Las reglas para el intercambio de datos (valores instantáneos de corriente y tensión) se describen en la norma IEC 61850-9-2 (actualmente se utiliza el perfil IEC 61850-9-2 LE).
Los flujos SV, al igual que los mensajes GOOSE, deben transmitirse rápidamente. Si las medidas se transmiten lentamente, es posible que los terminales no reciban a tiempo la corriente o la tensión necesaria para activar la protección, y el cortocircuito se extenderá a gran parte de la red eléctrica y provocará grandes daños.
¿Por qué es necesaria la multidifusión?
Como se mencionó anteriormente, para cubrir los requisitos de transmisión de datos para la comunicación horizontal, los GOOSE se transmiten de manera algo inusual.
En primer lugar, se transmiten a nivel de enlace de datos y tienen su propio Ethertype: 0x88b8. Esto garantiza altas tasas de transferencia de datos.
Ahora es necesario cerrar los requisitos de garantía y confiabilidad.
Evidentemente, para estar seguros es necesario saber si el mensaje fue entregado, pero no podemos organizar el envío de confirmaciones de recepción, como se hace, por ejemplo, en TCP. Esto reducirá significativamente la velocidad de transferencia de datos.
Por lo tanto, se utiliza una arquitectura Publicador-Suscriptor para transmitir GOOSE.
Arquitectura editor-suscriptor
El dispositivo envía un mensaje GOOSE al autobús y los suscriptores reciben el mensaje. Además, el mensaje se envía con un tiempo constante T0. Si ocurre algún evento, se genera un nuevo mensaje, independientemente de si el periodo T0 anterior ha finalizado o no. El siguiente mensaje con datos nuevos se genera después de un período de tiempo muy corto, luego después de un período un poco más largo, y así sucesivamente. Como resultado, el tiempo aumenta hasta T0.
El principio de transmisión de mensajes GOOSE.
El suscriptor sabe de quién recibe mensajes, y si no ha recibido ningún mensaje de alguien después del tiempo T0, genera un mensaje de error.
Los flujos SV también se transmiten a nivel de enlace de datos, tienen su propio Ethertype - 0x88BA y se transmiten según el modelo "Editor - Suscriptor".
Matices de la transmisión multicast en una subestación digital.
Pero la multidifusión de “energía” tiene sus propios matices.
Nota 1. GOOSE y SV tienen definidos sus propios grupos de multidifusión
Para la multidifusión de “energía” se utilizan sus propios grupos de distribución.
En telecomunicaciones, el rango 224.0.0.0/4 se utiliza para la distribución de multidifusión (con raras excepciones, existen direcciones reservadas). Pero el propio estándar IEC 61850 y el perfil corporativo IEC 61850 de PJSC FGC definen sus propios rangos de distribución de multidifusión.
Para transmisiones SV: de 01-0C-CD-04-00-00 a 01-0C-CD-04-FF-FF.
Para mensajes GOOSE: de 01-0C-CD-04-00-00 a 01-0C-CD-04-FF-FF.
Punto 2. Los terminales no utilizan protocolos multicast
El segundo matiz es mucho más importante: los terminales de protección de relés no son compatibles con IGMP o PIM. Entonces, ¿cómo funcionan con la multidifusión? Simplemente están esperando que se envíe la información necesaria al puerto. Aquellos. si saben que están suscritos a una dirección MAC específica, aceptan todas las tramas entrantes, pero procesan sólo las necesarias. El resto simplemente se descarta.
En otras palabras, toda esperanza está puesta en los interruptores. Pero ¿cómo funcionará IGMP o PIM si los terminales no envían mensajes de Unirse? La respuesta es simple: de ninguna manera.
Y las transmisiones SV son datos bastante pesados. Un flujo pesa alrededor de 5 Mbit/s. Y si todo se deja como está, resulta que cada transmisión se transmitirá. En otras palabras, extraeremos sólo 20 transmisiones en una LAN de 100 Mbit/s. Y el número de flujos de SV en una subestación grande se mide por cientos.
Entonces, cual es la solución?
Sencillo: utilice VLAN antiguas y probadas.
Además, IGMP en la LAN de la subestación digital puede ser una broma cruel y, por el contrario, nada funcionará. Después de todo, los conmutadores no comenzarán a transmitir transmisiones sin una solicitud.
Por tanto, podemos destacar una regla de puesta en marcha sencilla: “¿La red no funciona? – ¡Desactive IGMP!
Base normativa
¿Pero tal vez todavía sea posible organizar de alguna manera una LAN para una subestación digital basada en multidifusión? Intentemos pasar ahora a la documentación reglamentaria sobre LAN. En particular, citaré extractos de las siguientes STO:
- STO 34.01-21-004-2019 - CENTRO DE ENERGÍA DIGITAL. REQUISITOS PARA EL DISEÑO TECNOLÓGICO DE SUBESTACIONES DIGITALES CON TENSIÓN 110-220 kV Y SUBESTACIONES DIGITALES NODALES CON TENSIÓN 35 kV.
- STO 34.01-6-005-2019 – INTERRUPTORES DE OBJETOS DE ENERGÍA. Requisitos técnicos generales.
- STO 56947007-29.240.10.302-2020 - Requisitos técnicos estándar para la organización y desempeño de LAN tecnológicas en el sistema de control de procesos de la subestación UNEG.
Veamos primero qué se puede encontrar en estas estaciones de servicio sobre multicast. Solo se menciona en la última STO de PJSC FGC UES. Durante las pruebas de aceptación de LAN, la estación de servicio le pide que verifique si las VLAN están configuradas correctamente y que no haya tráfico multicast en los puertos del switch que no estén especificados en la documentación de trabajo.
Bueno, la estación de servicio también prescribe que el personal de servicio debe saber qué es la multidifusión.
Eso es todo sobre multidifusión...
Ahora veamos qué puedes encontrar en estas estaciones de servicio sobre las VLAN.
En este caso, las tres estaciones de servicio coinciden en que los conmutadores deben admitir VLAN basadas en IEEE 802.1Q.
STO 34.01-21-004-2019 dice que las VLAN deben usarse para controlar los flujos y, con la ayuda de las VLAN, el tráfico debe dividirse en protección de retransmisión, sistemas automatizados de control de procesos, AIIS KUE, videovigilancia, comunicaciones, etc.
STO 56947007-29.240.10.302-2020, además, también requiere preparar un mapa de distribución de VLAN durante el diseño. Al mismo tiempo, la estación de servicio ofrece sus gamas de direcciones IP y VLAN para equipos DSP.
La STO también proporciona una tabla de prioridades recomendadas para diferentes VLAN.
Tabla de prioridades de VLAN recomendadas de STO 56947007-29.240.10.302-2020
Desde una perspectiva de gestión de flujo, eso es todo. Aunque todavía hay mucho que discutir en estas estaciones de servicio, desde varias arquitecturas hasta configuraciones L3, definitivamente lo haremos, pero la próxima vez.
Ahora resumamos la gestión de flujo en la LAN de la Subestación Digital.
Conclusión
En la subestación digital, a pesar de que se transmiten muchos flujos de multidifusión, en realidad no se utilizan mecanismos estándar de gestión del tráfico de multidifusión (IGMP, PIM). Esto se debe a que los dispositivos finales no soportan ningún protocolo de multidifusión.
Las viejas VLAN se utilizan para controlar los flujos. Al mismo tiempo, el uso de VLAN está regulado por documentación reglamentaria, que ofrece recomendaciones bastante bien desarrolladas.
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Fuente: habr.com