A subestación dixital é unha tendencia no sector enerxético. Se estás preto do tema, probablemente xa escoitaches que unha gran cantidade de datos se transmiten en forma de fluxos multicast. Pero sabes como xestionar estes fluxos de multidifusión? Que ferramentas de xestión de fluxos se utilizan? Que aconsella a documentación regulamentaria?
Calquera persoa que estea interesada en entender este tema é benvida ao gato!
Como se transmiten os datos pola rede e por que xestionar fluxos de multidifusión?
Antes de pasar directamente á Subestación Dixital e os matices da construción dunha LAN, ofrezo un breve programa educativo sobre os tipos de transferencia de datos e protocolos de transferencia de datos para traballar con fluxos multicast. Escondemos o programa educativo baixo un spoiler.
Tipos de transferencia de datos
Tipos de tráfico nunha LAN
Hai catro tipos de transferencia de datos:
- Broadcast - broadcasting.
- Unicast: mensaxes entre dous dispositivos.
- Multicast: envío de mensaxes a un grupo específico de dispositivos.
- Unknown Unicast: transmisión co obxectivo de atopar un dispositivo.
Para non confundir as tarxetas, imos falar brevemente dos outros tres tipos de transmisión de datos antes de pasar á multidifusión.
En primeiro lugar, lembremos que dentro dunha LAN, o direccionamento entre dispositivos faise en función dos enderezos MAC. Calquera mensaxe transmitida ten campos SRC MAC e DST MAC.
SRC MAC - MAC fonte - enderezo MAC do remitente.
DST MAC - MAC de destino - enderezo MAC do destinatario.
O interruptor transmite mensaxes en función destes campos. Busca o DST MAC, atópao na súa táboa de enderezos MAC e envía unha mensaxe ao porto que aparece na táboa. Tamén mira SRC MAC. Se non hai tal enderezo MAC na táboa, engádese un novo par "enderezo MAC - porto".
Agora imos falar con máis detalle sobre os tipos de transferencia de datos.
Unicast
Unicast é o enderezo de transmisión de mensaxes entre dous dispositivos. Esencialmente, trátase dunha transferencia de datos punto a punto. Noutras palabras, dous dispositivos sempre usan Unicast para comunicarse entre si.
Transmisión de tráfico unicast
Difundir
Broadcast é unha mensaxe de difusión. Eses. transmisión, cando un dispositivo envía unha mensaxe a todos os demais dispositivos da rede.
Para enviar unha mensaxe de difusión, o remitente especifica o enderezo MAC do DST FF:FF:FF:FF:FF:FF.
Transmisión de tráfico de difusión
Unicast descoñecido
Unknown Unicast, a primeira vista, é moi semellante a Broadcast. Pero hai unha diferenza entre eles: a mensaxe envíase a todos os participantes da rede, pero só está destinada a un dispositivo. É como unha mensaxe nun centro comercial que che pide que volvas aparcar o teu coche. Todos escoitarán esta mensaxe, pero só un responderá.
Cando o switch recibe unha trama e non pode atopar a MAC de destino na táboa de enderezos MAC, simplemente emite esta mensaxe a todos os portos, excepto a aquel desde o que a recibiu. Só un dispositivo responderá a tal envío.
Transmisión de tráfico unicast descoñecido
Multidifusión
Multicast é o envío dunha mensaxe a un grupo de dispositivos que "queren" recibir estes datos. É moi parecido a un webinar. Emítese por Internet, pero só se conectan a ela aquelas persoas que estean interesadas neste tema.
Este modelo de transferencia de datos chámase "Publisher - Subscriber". Hai un editor que envía datos e os subscritores que queiran recibir estes datos subscríbense a el.
Coa transmisión multicast, a mensaxe envíase desde un dispositivo real. O MAC de orixe no marco é o MAC do remitente. Pero o MAC de destino é un enderezo virtual.
O dispositivo debe conectarse ao grupo para recibir datos del. O conmutador redirixe os fluxos de información entre dispositivos: lembra de que portos se transmiten os datos e sabe a que portos se deben enviar estes datos.
Transmisión de tráfico Multicast
Un punto importante é que os enderezos IP adoitan usarse como grupos virtuais, pero como... Xa que este artigo trata sobre a enerxía, falaremos dos enderezos MAC. Na familia de protocolos IEC 61850 que se usan para a subestación dixital, a división en grupos baséase en enderezos MAC
Un breve programa educativo sobre o enderezo MAC
O enderezo MAC é un valor de 48 bits que identifica de forma única un dispositivo. Divídese en 6 octetos. Os tres primeiros octetos conteñen información do fabricante. Os octetos 4, 5 e 6 son asignados polo fabricante e son o número do dispositivo.
Estrutura de enderezos MAC
No primeiro octeto, o oitavo bit determina se a mensaxe é unicast ou multicast. Se o oitavo bit é 0, entón este enderezo MAC é o enderezo do dispositivo físico real.
E se o oitavo bit é 1, entón este enderezo MAC é virtual. É dicir, este enderezo MAC non pertence a un dispositivo físico real, senón a un grupo virtual.
Un equipo virtual pódese comparar cunha torre de transmisión. A compañía de radio emite algo de música a esta torre, e os que queiran escoitala sintonizan os seus receptores coa frecuencia desexada.
Tamén, por exemplo, unha cámara de vídeo IP envía datos a un grupo virtual, e aqueles dispositivos que queiran recibir estes datos conéctanse a este grupo.
Oitavo bit do primeiro octeto do enderezo MAC
Se o soporte de multidifusión non está activado no interruptor, entón percibirá o fluxo de multidifusión como unha emisión. En consecuencia, se hai moitos destes fluxos, obstruiremos moi rapidamente a rede con tráfico "lixo".
Cal é a esencia do multicast?
A idea principal da multidifusión é que só se envía unha copia do tráfico desde o dispositivo. O interruptor determina en que portos están os subscritores e transmite os datos do remitente a eles. Así, a multidifusión permítelle reducir significativamente os datos transmitidos a través da rede.
Como funciona isto nunha LAN real?
Está claro que non abonda con simplemente enviar unha copia do tráfico a algún enderezo MAC cuxo oitavo bit do primeiro octeto sexa 1. Os subscritores deben poder conectarse a este grupo. E os conmutadores deben entender de que portos proceden os datos e a que portos deben transmitirse. Só entón a multidifusión permitirá optimizar redes e xestionar fluxos.
Para implementar esta funcionalidade, existen protocolos de multidifusión. O máis común:
- IGMP.
- PIM.
Neste artigo, falaremos tanxencialmente sobre o principio xeral de funcionamento destes protocolos.
IGMP
Un interruptor habilitado para IGMP lembra a que porto chega o fluxo de multidifusión. Os subscritores deben enviar unha mensaxe IMGP Join para unirse ao grupo. O interruptor engade o porto desde o que IGMP Join chegou á lista de interfaces descendentes e comeza a transmitir alí o fluxo de multidifusión. O conmutador envía continuamente mensaxes de consulta IGMP aos portos posteriores para comprobar se precisa seguir transmitindo datos. Se se recibiu unha mensaxe IGMP Leave desde un porto ou non houbo resposta a unha mensaxe IGMP Query, detense a súa emisión.
Persoal
O protocolo PIM ten dúas implementacións:
- PIM DM.
- PIM SM.
O protocolo PIM DM funciona ao revés do IGMP. O interruptor envía inicialmente o fluxo de multidifusión como emisión a todos os portos, excepto a aquel desde o que se recibiu. A continuación, desactiva o fluxo neses portos dos que saían as mensaxes que non era necesario.
PIM SM opera preto de IGMP.
Para resumir de forma moi groseira o principio xeral da operación de multidifusión: o editor envía un fluxo de multidifusión a un grupo MAC específico, os subscritores envían solicitudes para conectarse a este grupo, os interruptores xestionan estes fluxos.
Por que pasamos a multidifusión tan superficialmente? Imos falar sobre as particularidades da LAN da subestación dixital para entender isto.
Que é unha subestación dixital e por que é necesaria a multidifusión alí?
Antes de falar sobre a LAN da subestación dixital, cómpre comprender o que é unha subestación dixital. Despois responde as preguntas:
- Quen participa na transferencia de datos?
- Que datos se transfiren á LAN?
- Cal é a típica arquitectura LAN?
E despois diso discutir multicast...
Que é unha subestación dixital?
A Subestación Dixital é unha subestación na que todos os sistemas teñen un nivel de automatización moi elevado. Todos os equipos secundarios e primarios desta subestación están enfocados á transmisión de datos dixitais. O intercambio de datos realízase de acordo cos protocolos de transmisión descritos na norma IEC 61850.
En consecuencia, todos os datos transmítense dixitalmente aquí:
- Medidas.
- Información de diagnóstico.
- Comandos de control.
Esta tendencia recibiu un gran desenvolvemento no sector enerxético ruso e agora está a implementarse en todas partes. En 2019 e 2020 apareceron moitos documentos normativos que regulan a creación dunha Subestación Dixital en todas as fases de desenvolvemento. Por exemplo, STO 34.01-21-004-2019 PJSC "Rosseti" define a seguinte definición e criterios para unha estación de servizo central:
Definición:
A subestación dixital é unha subestación automatizada equipada con sistemas de control e información dixital que interactúan nun único modo de tempo e funcionan sen a presenza de persoal de servizo permanente.
Criterios:
- observabilidade remota dos parámetros e modos de funcionamento dos equipos e sistemas necesarios para o funcionamento normal sen a presenza constante de persoal operativo de servizo e mantemento;
- proporcionar telecontrol de equipos e sistemas para operar a subestación sen a presenza constante de persoal operativo de servizo e mantemento;
- alto nivel de automatización de equipos e xestión de sistemas mediante sistemas de control intelixentes para os modos de funcionamento de equipos e sistemas;
- control remoto de todos os procesos tecnolóxicos nun único modo de tempo;
- intercambio de datos dixitais entre todos os sistemas tecnolóxicos nun único formato;
- integración na rede eléctrica e sistema de xestión empresarial, así como garantir a interacción dixital coas organizacións de infraestrutura relevantes (con instalacións relacionadas);
- seguridade funcional e da información durante a dixitalización dos procesos tecnolóxicos;
- seguimento continuo do estado dos principais equipos e sistemas tecnolóxicos en liña coa transmisión da cantidade necesaria de datos dixitais, parámetros controlados e sinais.
Quen participa na transferencia de datos?
A Subestación Dixital inclúe os seguintes sistemas:
- Sistemas de protección de relés. A protección por relé é practicamente o "corazón" da Subestación Dixital. Os terminais de protección dos relés toman valores de corrente e tensión dos sistemas de medida. A partir destes datos, os terminais elaboran a lóxica de protección interna. Os terminais comunícanse entre si para transmitir información sobre as proteccións activadas, as posicións dos dispositivos de conmutación, etc. Os terminais tamén envían información sobre eventos que ocorreron ao servidor ICS. En total, pódense distinguir varios tipos de comunicación:
▸Conexión horizontal - Comunicación entre terminais.
▸Conexión vertical – comunicación co servidor do sistema automatizado de control de procesos.
▸Medicións – Comunicación con dispositivos de medida.
- Sistemas de medición de electricidade comercial.Os sistemas de medición de custodia só se comunican con dispositivos de medición.
- Sistemas de control de despacho.Os datos parciais deben enviarse desde o servidor do sistema de control de procesos automatizados e desde o servidor de contabilidade comercial ao centro de control.
Esta é unha lista moi simplificada de sistemas que intercambian datos como parte dunha subestación dixital. Se estás interesado en profundizar neste tema, escribe nos comentarios.
Contámolo por separado 😉
Que datos se transfiren á LAN?
Para combinar os sistemas descritos entre si e organizar a comunicación horizontal e vertical, así como a transferencia de medidas, organízanse autobuses. Polo momento, imos acordar que cada bus é só unha LAN separada nos conmutadores Ethernet industriais.
Diagrama de bloques dunha instalación de enerxía eléctrica segundo IEC 61850
O diagrama de bloques mostra os pneumáticos:
- Seguimento/Control.
- Transmisión de sinais de protección de relés.
- Transmisión de tensións e correntes instantáneas.
Os terminais de relé de protección participan tanto na comunicación horizontal como na vertical e tamén utilizan medidas, polo que están conectados a todos os buses.
A través do bus "Transmisión de sinais de protección de relés", os terminais transmiten información entre si. Eses. aquí se implementa una conexión horizontal.
A transmisión de medidas realízase a través do bus "Transmisión de valores instantáneos de tensións e correntes". A este bus están conectados dispositivos de medida -transformadores de corrente e tensión, así como terminales de protección de relés.
Ademais, o servidor ASKUE está conectado ao bus "Transmisión de valores instantáneos de voltaxes e correntes", que tamén toma medidas para a contabilidade.
E o bus "Monitoring/Control" serve para a comunicación vertical. Eses. a través del, os terminais envían varios eventos ao servidor ICS, e o servidor tamén envía comandos de control aos terminais.
Desde o servidor do sistema de control de procesos automatizado, os datos envíanse ao centro de control.
Cal é a típica arquitectura LAN?
Pasemos dun diagrama estrutural abstracto e bastante convencional a cousas máis mundanas e reais.
O diagrama a continuación mostra unha arquitectura LAN bastante estándar para unha subestación dixital.
Arquitectura de subestación dixital
Nas subestacións de 6 kV ou 35 kV a rede será máis sinxela, pero se falamos de subestacións de 110 kV, 220 kV e superiores, así como da LAN das centrais, entón a arquitectura corresponderá á mostrada.
A arquitectura divídese en tres niveis:
- Nivel estación/subestación.
- Únete ao nivel.
- Nivel de proceso.
Nivel estación/subestación inclúe estacións de traballo e servidores.
Únete ao nivel inclúe todo o equipamento tecnolóxico.
Nivel de proceso inclúe equipos de medición.
Tamén hai dous autobuses para combinar niveis:
- Estación/subestación de autobús.
- Bus de procesos.
O bus de estación/subestación combina as funcións do bus "Vixilancia/Control" e do bus "Transmisión de sinal de protección de relés". E o bus de proceso realiza as funcións do bus "Transmisión de valores instantáneos de tensión e intensidade".
Características da transmisión multidifusión nunha subestación dixital
Que datos se transmiten mediante multicast?
A comunicación horizontal e a transmisión de medidas dentro da Subestación Dixital realízase mediante a arquitectura Editor-Subscriber. Eses. Os terminais de protección de relés usan fluxos multicast para intercambiar mensaxes entre eles, e as medicións tamén se transmiten mediante multicast.
Antes da subestación dixital no sector enerxético, implantouse a comunicación horizontal mediante a comunicación punto a punto entre terminais. Utilizouse un cable de cobre ou óptico como interface. Os datos foron transmitidos mediante protocolos propietarios.
Esixencias moi altas sobre esta conexión, porque estas canles transmitían sinais de activación da protección, posición dos dispositivos de conmutación, etc. Desta información dependía o algoritmo para o bloqueo operativo dos terminais.
Se os datos se transmiten lentamente ou non se garanten, existe unha alta probabilidade de que un dos terminais non reciba información actualizada sobre a situación actual e poida enviar un sinal para apagar ou acender o dispositivo de conmutación cando, por exemplo, , realízanse algúns traballos nel. Ou o fallo do interruptor non funcionará a tempo e o curtocircuíto estenderase ao resto do circuíto eléctrico. Todo isto está cheo de grandes perdas financeiras e unha ameaza para a vida humana.
Polo tanto, os datos tiveron que ser transmitidos:
- Fiable.
- Garantida.
- Rápido.
Agora, en lugar da comunicación punto a punto, úsase un bus de estación/subestación, é dicir. LAN. E os datos transmítense mediante o protocolo GOOSE, que se describe pola norma IEC 61850 (en IEC 61850-8-1, para ser máis precisos).
GOOSE significa General Object Oriented Substation Event, pero esta decodificación xa non é moi relevante e non leva ningunha carga semántica.
Como parte deste protocolo, os terminais de protección de relés intercambian mensaxes GOOSE entre si.
A transición da comunicación punto a punto a unha LAN non cambiou o enfoque. Os datos aínda deben transmitirse de forma fiable, segura e rápida. Polo tanto, as mensaxes GOOSE usan un mecanismo de transmisión de datos algo inusual. Máis sobre el máis tarde.
As medicións, como xa comentamos, tamén se transmiten mediante fluxos multicast. Na terminoloxía DSP, estes fluxos chámanse fluxos SV (Sampled Value).
Os fluxos SV son mensaxes que conteñen un conxunto específico de datos e que se transmiten continuamente durante un período determinado. Cada mensaxe contén unha medida nun momento específico. As medicións tómanse cunha determinada frecuencia: a frecuencia de mostraxe.
A frecuencia de mostraxe é a frecuencia de mostraxe dun sinal continuo no tempo ao mostralo.
Frecuencia de mostraxe 80 mostras por segundo
A composición dos fluxos SV descríbese en IEC61850-9-2 LE.
Os fluxos SV transmítense a través do bus de proceso.
O bus de proceso é unha rede de comunicación que ofrece intercambio de datos entre dispositivos de medida e dispositivos de nivel de conexión. As regras para o intercambio de datos (valores de corrente e tensión instantáneas) descríbense na norma IEC 61850-9-2 (actualmente utilízase o perfil IEC 61850-9-2 LE).
Os fluxos SV, como as mensaxes GOOSE, deben transmitirse rapidamente. Se as medicións se transmiten lentamente, é posible que os terminais non reciban a corrente ou a tensión necesarias para activar a protección a tempo e o curtocircuíto estenderase a gran parte da rede eléctrica e causará grandes danos.
Por que é necesaria a multidifusión?
Como se mencionou anteriormente, para cubrir os requisitos de transmisión de datos para a comunicación horizontal, GOOSE transmítense de forma algo inusual.
En primeiro lugar, transmítense a nivel de enlace de datos e teñen o seu propio Ethertype: 0x88b8. Isto garante altas taxas de transferencia de datos.
Agora é necesario pechar os requisitos de garantía e fiabilidade.
Obviamente, para estar seguro, é necesario entender se a mensaxe foi entregada, pero non podemos organizar o envío de confirmacións de recepción, como se fai, por exemplo, en TCP. Isto reducirá significativamente a velocidade de transferencia de datos.
Polo tanto, utilízase unha arquitectura Editor-Subscriber para transmitir GOOSE.
Arquitectura editor-abonado
O dispositivo envía unha mensaxe GOOSE ao autobús e os subscritores reciben a mensaxe. Ademais, a mensaxe envíase cun tempo constante T0. Se se produce algún evento, xérase unha nova mensaxe, independentemente de que o período T0 anterior rematou ou non. A seguinte mensaxe con novos datos xérase despois dun período de tempo moi curto, despois dun período un pouco máis longo, etc. Como resultado, o tempo aumenta ata T0.
O principio de transmisión de mensaxes GOOSE
O abonado sabe de quen recibe as mensaxes e, se non recibiu unha mensaxe de alguén despois do tempo T0, xera unha mensaxe de erro.
Os fluxos SV tamén se transmiten a nivel de enlace de datos, teñen o seu propio Ethertype - 0x88BA e transmítense segundo o modelo "Publisher - Subscriber".
Matices da transmisión multicast nunha subestación dixital
Pero o multicast "enerxético" ten os seus propios matices.
Nota 1. GOOSE e SV teñen definidos os seus propios grupos de multidifusión
Para a multidifusión "enerxética", utilízanse os seus propios grupos de distribución.
En telecomunicacións, o rango 224.0.0.0/4 úsase para a distribución multicast (con raras excepcións, hai enderezos reservados). Pero o propio estándar IEC 61850 e o perfil corporativo IEC 61850 de PJSC FGC definen os seus propios rangos de distribución multicast.
Para emisións SV: de 01-0C-CD-04-00-00 a 01-0C-CD-04-FF-FF.
Para mensaxes GOOSE: do 01-0C-CD-04-00-00 ao 01-0C-CD-04-FF-FF.
Punto 2. Os terminais non utilizan protocolos multicast
O segundo matiz é moito máis significativo: os terminais de protección de relés non admiten IGMP nin PIM. Entón, como funcionan co multicast? Simplemente están á espera de que se envíe a información necesaria ao porto. Eses. se saben que están subscritos a un enderezo MAC específico, aceptan todas as tramas entrantes, pero procesan só as necesarias. O resto son simplemente descartados.
Noutras palabras, toda esperanza descansa nos interruptores. Pero como funcionarán IGMP ou PIM se os terminais non envían mensaxes de Join? A resposta é sinxela: de ningún xeito.
E os fluxos SV son datos bastante pesados. Un fluxo pesa uns 5 Mbit/s. E se todo queda como está, resulta que cada emisión será emitida. Noutras palabras, tiraremos só 20 fluxos nunha LAN de 100 Mbit/s. E o número de fluxos SV nunha subestación grande mídese en centos.
Cal é entón a solución?
Simple: use VLAN comprobadas antigas.
Ademais, IGMP na LAN da subestación dixital pode facer unha broma cruel, e viceversa, nada funcionará. Despois de todo, os interruptores non comezarán a transmitir fluxos sen unha solicitude.
Polo tanto, podemos destacar unha simple regra de posta en servizo: “Non funciona a rede? - Desactivar IGMP!"
Base normativa
Pero quizais aínda sexa posible organizar dalgún xeito unha LAN para unha subestación dixital baseada en multidifusión? Imos tentar pasar agora á documentación regulamentaria sobre LAN. En particular, citarei extractos das seguintes STO:
- STO 34.01-21-004-2019 - CENTRO DE ENERGÍA DIXITAL. REQUISITOS PARA O DESEÑO TECNOLÓXICO DE SUBESTACIONS DIXITAIS CON TENSIÓN 110-220 kV E SUBESTACIÓNS DIXITAIS DE NODO CON TENSIÓN 35 kV.
- STO 34.01-6-005-2019 – INTERRUPTORES DE OBXECTOS ENERXÉTICOS. Requisitos técnicos xerais.
- STO 56947007-29.240.10.302-2020 - Requisitos técnicos normalizados para a organización e rendemento das LAN tecnolóxicas no sistema de control de procesos da subestación UNEG.
Vexamos primeiro que se pode atopar nestas estacións de servizo sobre a multidifusión? Hai unha mención só no último STO de PJSC FGC UES. Durante as probas de aceptación da LAN, a estación de servizo pídelle que comprobe se as VLAN están configuradas correctamente e que non hai tráfico de multidifusión nos portos de switch que non estean especificados na documentación de traballo.
Ben, a estación de servizo tamén prescribe que o persoal de servizo debe saber o que é a multidifusión.
Iso é todo sobre multicast...
Agora vexamos o que podes atopar nestas estacións de servizo sobre as VLAN.
Aquí, as tres estacións de servizo coinciden en que os switches deben admitir VLAN baseadas en IEEE 802.1Q.
STO 34.01-21-004-2019 di que as VLAN deben usarse para controlar os fluxos e, coa axuda das VLAN, o tráfico debe dividirse en protección de relés, sistemas de control de procesos automatizados, AIIS KUE, videovixilancia, comunicacións, etc.
STO 56947007-29.240.10.302-2020, ademais, tamén require a preparación dun mapa de distribución de VLAN durante o deseño. Ao mesmo tempo, a estación de servizo ofrece as súas gamas de enderezos IP e VLAN para equipos DSP.
O STO tamén ofrece unha táboa de prioridades recomendadas para diferentes VLAN.
Táboa de prioridades de VLAN recomendadas de STO 56947007-29.240.10.302-2020
Desde a perspectiva da xestión do fluxo, iso é todo. Aínda que aínda hai moito que discutir nestas estacións de servizo -desde varias arquitecturas ata configuracións L3-, definitivamente faremos isto, pero a próxima vez.
Agora imos resumir a xestión do fluxo na LAN da Subestación Dixital.
Conclusión
Na Subestación Dixital, a pesar de que se transmiten moitos fluxos multicast, os mecanismos estándar de xestión de tráfico multicast (IGMP, PIM) non se utilizan realmente. Isto débese ao feito de que os dispositivos finais non admiten ningún protocolo de multidifusión.
As boas VLAN antigas úsanse para controlar os fluxos. Ao mesmo tempo, o uso da VLAN está regulado pola documentación regulamentaria, que ofrece recomendacións bastante ben desenvolvidas.
Ligazóns útiles:
.
Fonte: www.habr.com