デジタル変電所 LAN 内のフローを管理するにはどうすればよいですか?

デジタル変電所はエネルギー分野のトレンドです。 この話題に詳しい方は、大量のデータがマルチキャスト ストリームの形式で送信されるということを聞いたことがあるでしょう。 しかし、これらのマルチキャスト ストリームを管理する方法を知っていますか? どのようなフロー管理ツールが使用されていますか? 規制文書は何をアドバイスしていますか?

このトピックを理解することに興味がある人は誰でも猫にようこそ!

データはネットワーク上でどのように送信されますか?また、なぜマルチキャスト ストリームを管理するのでしょうか?

デジタル サブステーションと LAN 構築の微妙な点に直接進む前に、データ転送の種類とマルチキャスト ストリームを扱うためのデータ転送プロトコルに関する簡単な教育プログラムを提供します。 教育プログラムをスポイラーの下に隠しました。

データ転送の種類
LAN 上のトラフィックの種類

データ転送には XNUMX つのタイプがあります。

• ブロードキャスト – ブロードキャスト。
• ユニキャスト – XNUMX つのデバイス間のメッセージング。
• マルチキャスト – デバイスの特定のグループにメッセージを送信します。
• 不明なユニキャスト - XNUMX 台のデバイスを見つけることを目的としたブロードキャスト。

カードを混乱させないように、マルチキャストに進む前に、他の XNUMX 種類のデータ送信について簡単に説明します。

まず、LAN 内では、デバイス間のアドレス指定は MAC アドレスに基づいて行われることを思い出してください。 送信されるすべてのメッセージには、SRC MAC フィールドと DST MAC フィールドがあります。

SRC MAC – 送信元 MAC – 送信者の MAC アドレス。

DST MAC – 宛先 MAC – 受信者の MAC アドレス。

スイッチは、これらのフィールドに基づいてメッセージを送信します。 DST MAC を検索し、MAC アドレス テーブルで見つけて、テーブルにリストされているポートにメッセージを送信します。 SRC MACも見ています。 テーブルにそのような MAC アドレスがない場合は、新しい「MAC アドレス - ポート」のペアが追加されます。

次に、データ転送の種類について詳しく説明します。

ユニキャスト

ユニキャストは、XNUMX つのデバイス間でのメッセージのアドレス送信です。 基本的に、これはポイントツーポイントのデータ転送です。 つまり、XNUMX つのデバイスは常にユニキャストを使用して相互に通信します。

ユニキャストトラフィック送信

放送

ブロードキャストはブロードキャストメッセージです。 それらの。 ブロードキャスト。XNUMX つのデバイスがネットワーク上の他のすべてのデバイスにメッセージを送信すること。

ブロードキャスト メッセージを送信するには、送信者は DST MAC アドレス FF:FF:FF:FF:FF:FF を指定します。

ブロードキャストトラフィック送信

不明なユニキャスト

Unknown Unicast は、一見したところ、Broadcast と非常によく似ています。 ただし、両者には違いがあります。メッセージはすべてのネットワーク参加者に送信されますが、宛先は XNUMX 台のデバイスのみです。 これは、ショッピングセンターで車を再駐車するように求めるメッセージのようなものです。 このメッセージは全員に聞こえますが、応答するのは XNUMX 人だけです。

スイッチがフレームを受信し、そのフレームからの宛先 MAC が MAC アドレス テーブルで見つからない場合、このメッセージを受信元のポートを除くすべてのポートにブロードキャストするだけです。 このようなメールに応答できるのは XNUMX 台のデバイスだけです。

不明なユニキャストトラフィックの送信

マルチキャスト

マルチキャストとは、このデータの受信を「希望する」デバイスのグループにメッセージを送信することです。 ウェビナーとよく似ています。 これはインターネット全体にブロードキャストされますが、このトピックに興味がある人だけが接続します。

このデータ転送モデルは「パブリッシャー - サブスクライバー」と呼ばれます。 データを送信するパブリッシャーが XNUMX つあり、このデータを受信したいサブスクライバーがそれにサブスクライブします。

マルチキャストブロードキャストでは、実際のデバイスからメッセージが送信されます。 フレーム内の送信元 MAC は送信者の MAC です。 ただし、宛先 MAC は仮想アドレスです。

デバイスは、グループからデータを受信するためにグループに接続する必要があります。 スイッチはデバイス間の情報フローをリダイレクトします。データがどのポートから送信されたかを記憶し、このデータがどのポートに送信されるべきかを認識します。

マルチキャストトラフィックの送信

重要な点は、IP アドレスは仮想グループとしてよく使用されるということですが、 この記事はエネルギーに関するものなので、MAC アドレスについて説明します。 デジタル変電所に使用されるプロトコルの IEC 61850 ファミリでは、グループへの分割は MAC アドレスに基づいています。

MAC アドレスに関する簡単な教育プログラム

MAC アドレスは、デバイスを一意に識別する 48 ビットの値です。 6 オクテットに分割されます。 最初の 4 オクテットには製造元情報が含まれます。 オクテット 5、6、および XNUMX は製造元によって割り当てられ、デバイス番号です。

MACアドレス構造

最初のオクテットの 0 番目のビットは、メッセージがユニキャストであるかマルチキャストであるかを決定します。 XNUMX 番目のビットが XNUMX の場合、この MAC アドレスは実際の物理デバイスのアドレスです。

1 番目のビットが XNUMX の場合、この MAC アドレスは仮想アドレスです。 つまり、この MAC アドレスは実際の物理デバイスに属さず、仮想グループに属します。

仮想チームは放送塔にたとえることができます。 ラジオ会社はこの塔に音楽を放送しており、それを聴きたい人は受信機を希望の周波数に合わせます。

また、たとえば、IP ビデオ カメラは仮想グループにデータを送信し、このデータを受信したいデバイスはこのグループに接続します。

MAC アドレスの最初のオクテットの XNUMX 番目のビット

スイッチでマルチキャスト サポートが有効になっていない場合、スイッチはマルチキャスト ストリームをブロードキャストとして認識します。 したがって、そのようなフローが多数ある場合、ネットワークはすぐに「ジャンク」トラフィックで詰まります。

マルチキャストの本質とは何でしょうか?

マルチキャストの主な考え方は、デバイスからトラフィックのコピーが XNUMX つだけ送信されるということです。 スイッチは、サブスクライバがどのポート上にあるかを判断し、送信者からサブスクライバにデータを送信します。 したがって、マルチキャストを使用すると、ネットワーク経由で送信されるデータを大幅に削減できます。

これは実際の LAN ではどのように機能するのでしょうか?

最初のオクテットの 1 番目のビットが XNUMX である MAC アドレスにトラフィックのコピーを XNUMX つ送信するだけでは十分ではないことは明らかです。加入者はこのグループに接続できる必要があります。 また、スイッチは、データがどのポートから来て、どのポートにデータを送信する必要があるかを理解する必要があります。 そうして初めて、マルチキャストによってネットワークの最適化とフローの管理が可能になります。

この機能を実装するには、マルチキャスト プロトコルがあります。 最も一般的な：

• IGMP。
• ピム。

この記事では、これらのプロトコルの一般的な動作原理について少し話します。

IGMP

IGMP 対応スイッチは、マルチキャスト ストリームがどのポートに到着するかを記憶します。 加入者はグループに参加するには IMGP Join メッセージを送信する必要があります。 スイッチは、IGMP Join の送信元ポートをダウンストリーム インターフェイスのリストに追加し、そこでマルチキャスト ストリームの送信を開始します。 スイッチは、ダウンストリーム ポートに IGMP クエリ メッセージを継続的に送信して、データの送信を継続する必要があるかどうかを確認します。 IGMP Leave メッセージがポートから受信された場合、または IGMP Query メッセージに対する応答がなかった場合、そのポートへのブロードキャストは停止されます。

PIM

PIM プロトコルには XNUMX つの実装があります。

• ピムDM。
• ピム・SM

PIM DM プロトコルは IGMP の逆に動作します。 スイッチは最初に、マルチキャスト ストリームをブロードキャストとして、受信元のポートを除くすべてのポートに送信します。 次に、不要であるというメッセージが送信されたポート上のフローを無効にします。

PIM SM は IGMP に近い状態で動作します。

マルチキャスト操作の一般原理を非常に大まかに要約すると、パブリッシャは特定の MAC グループにマルチキャスト ストリームを送信し、サブスクライバはこのグループへの接続要求を送信し、スイッチはこれらのストリームを管理します。

マルチキャストについて表面的に説明したのはなぜでしょうか? これを理解するために、デジタル変電所 LAN の詳細について説明しましょう。

デジタル変電所とは何ですか?なぜそこでマルチキャストが必要なのでしょうか?

デジタル変電所 LAN について話す前に、デジタル変電所とは何かを理解する必要があります。 質問を答えて：

• データ転送には誰が関与しますか?
• どのようなデータが LAN に転送されますか?
• 典型的な LAN アーキテクチャとは何ですか?

その後、マルチキャストについて説明します...

デジタル変電所とは何ですか?

デジタル変電所は、すべてのシステムが非常に高度な自動化を備えている変電所です。 このような変電所のすべての二次および一次機器は、デジタル データ伝送に重点を置いています。 データ交換は、IEC 61850 標準に記載されている伝送プロトコルに従って構築されます。

したがって、すべてのデータはここでデジタル送信されます。

• 測定。
• 診断情報。
• 制御コマンド。

この傾向はロシアのエネルギー部門で大きく発展し、現在どこでも実施されています。 2019 年と 2020 年に、開発のすべての段階でデジタルサブステーションの作成を規制する多くの規制文書が登場しました。 たとえば、STO 34.01-21-004-2019 PJSC "Rosseti" では、中央サービス ステーションについて次の定義と基準を定義しています。

定義：

デジタル変電所は、デジタル情報と単一タイム モードで相互作用する制御システムを備えた自動変電所で、常勤要員の存在なしで動作します。

基準：

• 勤務および保守の操作担当者が常駐することなく、通常の操作に必要な機器およびシステムのパラメータおよび操作モードを遠隔から観察できること。
• 勤務および保守の操作員が常駐することなく、変電所を操作するための機器およびシステムの遠隔制御を提供する。
• 機器およびシステムの動作モードに対するインテリジェント制御システムを使用した、機器およびシステム管理の高度な自動化。
• 単一時間モードでのすべての技術プロセスの遠隔制御。
• すべての技術システム間の単一フォーマットでのデジタルデータ交換。
• 電力ネットワークおよび企業管理システムへの統合、ならびに関連するインフラストラクチャ組織（関連施設）とのデジタル対話の確保。
• 技術プロセスのデジタル化における機能セキュリティと情報セキュリティ。
• 必要な量のデジタルデータ、制御されたパラメータ、信号を送信して、主要な技術機器とシステムの状態をオンラインで継続的に監視します。

データ転送には誰が関与しますか?

デジタル変電所には次のシステムが含まれます。

• リレー保護システム。 リレー保護は実質的にデジタル変電所の「心臓部」です。 リレー保護端子は、測定システムから電流値と電圧値を取得します。 このデータに基づいて、端末は内部保護ロジックを計算します。 端末は相互に通信し、作動した保護機能やスイッチング装置の位置などの情報を送信します。 端末は、発生したイベントに関する情報も ICS サーバーに送信します。 合計すると、いくつかのタイプの通信を区別できます。
  ▸横のつながり – 端末間の通信。
  ▸垂直接続 – 自動プロセス制御システムサーバーとの通信。
  ▸測定値 – 測定装置との通信。

• 商用電力計量システム。保管計量システムは測定デバイスとのみ通信します。

• 配車制御システム。部分データは、自動プロセス制御システムのサーバーと商業会計サーバーからコントロール センターに送信する必要があります。

これは、デジタル変電所の一部としてデータを交換するシステムの非常に単純化されたリストです。 このトピックについてさらに詳しく知りたい場合は、コメントに書き込んでください。
こちらについてはまた別途ご紹介させていただきます😉

どのようなデータが LAN に転送されますか?

説明したシステムを相互に結合し、測定値の転送だけでなく水平および垂直通信を組織するために、バスが組織されます。 現時点では、各バスは産業用イーサネット スイッチ上の個別の LAN にすぎないことに同意しましょう。

IEC 61850に準拠した電力設備のブロック図

ブロック図はタイヤを示しています。

• 監視/制御。
• リレー保護信号の送信。
• 瞬時電圧と電流の伝送。

保護リレー端子は水平通信と垂直通信の両方に参加し、測定も使用するため、すべてのバスに接続されます。

「リレー保護信号の送信」バスを通じて、端末間で情報を送信します。 それらの。 ここでは水平接続が実装されています。

測定値の送信は、「電圧と電流の瞬時値の送信」バスを通じて実行されます。 測定デバイス (変流器、変圧器、リレー保護端子など) はこのバスに接続されています。

また、ASKUEサーバーは「電圧・電流の瞬時値の送信」バスに接続されており、課金のための計測も行っています。

そして、「監視/制御」バスは垂直方向の通信を行います。 それらの。 これを通じて、端末はさまざまなイベントを ICS サーバーに送信し、サーバーは制御コマンドも端末に送信します。

自動プロセス制御システムのサーバーからコントロールセンターにデータが送信されます。

典型的な LAN アーキテクチャとは何ですか?

抽象的でかなり従来的な構造図から、より日常的で現実的なものに移りましょう。

以下の図は、デジタル変電所のかなり標準的な LAN アーキテクチャを示しています。

デジタル変電所のアーキテクチャ

6 kV または 35 kV の変電所では、ネットワークはより単純になりますが、110 kV、220 kV 以上の変電所や発電所の LAN について言えば、アーキテクチャは図に示したものに対応します。

アーキテクチャは XNUMX つのレベルに分かれています。

• 駅/変電所レベル。
• 参加レベル。
• プロセスレベル。

駅/変電所レベル ワークステーションとサーバーが含まれます。

参加レベル すべての技術機器が含まれます。

プロセスレベル 測定機器が含まれます。

レベルを結合するための XNUMX つのバスもあります。

• 駅/変電所バス。
• プロセスバス。

駅変電所バスは、「監視・制御」バスと「リレー保護信号伝送」バスの機能を兼ね備えています。 そして、プロセスバスは「電圧・電流瞬時値の送信」バスの機能を実行します。

デジタル変電所におけるマルチキャスト伝送の特徴

マルチキャストを使用して送信されるデータは何ですか?

デジタルサブステーション内の水平通信と測定値の送信は、パブリッシャー/サブスクライバー アーキテクチャを使用して実行されます。 それらの。 中継保護端末はマルチキャスト ストリームを使用して端末間でメッセージを交換し、測定値もマルチキャストを使用して送信されます。

エネルギー分野におけるデジタル変電所以前は、端末間のポイントツーポイント通信を使用した水平通信が実装されていました。 銅ケーブルまたは光ケーブルがインターフェイスとして使用されました。 データは独自のプロトコルを使用して送信されました。

この接続には非常に高い要求が課されました。 これらのチャネルは、保護のアクティブ化、スイッチングデバイスの位置などの信号を送信しました。 端末を動作的にブロックするためのアルゴリズムは、この情報に依存していました。

データの送信が遅い、または保証されていない場合、端末の XNUMX つが現在の状況に関する最新情報を受信できない可能性が高く、次のような場合にスイッチング デバイスをオフまたはオンにする信号を送信する可能性があります。 、それにいくつかの作業が行われます。 または、ブレーカーの故障が間に合わず、短絡が他の電気回路に広がります。 これらすべては多額の経済的損失と人命への脅威を伴います。

したがって、データを送信する必要がありました。

• 信頼性のある。
• 保証されています。
• すばやく。

現在では、ポイントツーポイント通信の代わりに、駅/変電所バスが使用されています。 LAN。 データは、IEC 61850 標準 (より正確には IEC 61850-8-1) で記述されている GOOSE プロトコルを使用して送信されます。

GOOSE は General Object Oriented Substation Event の略ですが、このデコードにはあまり関連性がなく、セマンティックな負荷もかかりません。

このプロトコルの一部として、中継保護端末は相互に GOOSE メッセージを交換します。

ポイントツーポイント通信から LAN への移行によってアプローチは変わりませんでした。 データは依然として確実、安全、迅速に送信される必要があります。 したがって、GOOSE メッセージは、やや特殊なデータ送信メカニズムを使用します。 彼については後で詳しく説明します。

すでに説明したように、測定値はマルチキャスト ストリームを使用して送信されます。 DSP 用語では、これらのストリームは SV ストリーム (サンプル値) と呼ばれます。

SV ストリームは、特定のデータセットを含むメッセージであり、一定の周期で連続的に送信されます。 各メッセージには、特定の時点での測定値が含まれています。 測定は特定の周波数、つまりサンプリング周波数で行われます。

サンプリング周波数は、時間連続信号をサンプリングするときのサンプリング周波数です。

サンプリングレート 80 秒あたり XNUMX サンプル

SV ストリームの構成は IEC61850-9-2 LE に記載されています。

SV ストリームはプロセス バスを介して送信されます。

プロセスバスは、測定デバイスと接続レベルのデバイス間のデータ交換を提供する通信ネットワークです。 データ (瞬時電流値と電圧値) を交換するためのルールは、IEC 61850-9-2 規格に記載されています (現在は IEC 61850-9-2 LE プロファイルが使用されています)。

SV ストリームは、GOOSE メッセージと同様、迅速に送信する必要があります。 測定値の送信が遅い場合、保護を作動させるのに必要な電流または電圧を端末が時間内に受信できない可能性があり、短絡が電気ネットワークの大部分に広がり、大きな損害を引き起こす可能性があります。

なぜマルチキャストが必要なのでしょうか?

前述したように、水平通信のデータ送信要件をカバーするために、GOOSE はやや特殊な形で送信されます。

まず、データ リンク レベルで送信され、独自の Ethertype – 0x88b8 を持ちます。 これにより、高いデータ転送速度が保証されます。

ここで、保証と信頼性の要件を解決する必要があります。

もちろん、確実にメッセージが配信されたかどうかを理解する必要がありますが、たとえば TCP で行われるように、受信確認の送信を組織化することはできません。 これにより、データ転送速度が大幅に低下します。

したがって、GOOSE の送信にはパブリッシャー/サブスクライバー アーキテクチャが使用されます。

パブリッシャーとサブスクライバーのアーキテクチャ

デバイスは GOOSE メッセージをバスに送信し、サブスクライバはメッセージを受信します。 また、メッセージは一定時間 T0 で送信されます。 何らかのイベントが発生すると、前の期間 T0 が終了したかどうかに関係なく、新しいメッセージが生成されます。 新しいデータを含む次のメッセージは、非常に短い期間の後に生成され、次に少し長い期間の後に、というように生成されます。 その結果、時間は T0 まで増加します。

GOOSEメッセージの送信原理

サブスクライバは、誰からメッセージを受信して​​いるかを知っており、時間 T0 以降に誰かからメッセージを受信して​​いない場合は、エラー メッセージを生成します。

SV ストリームはデータ リンク レベルでも送信され、独自の Ethertype - 0x88BA を持ち、「パブリッシャー - サブスクライバー」モデルに従って送信されます。

デジタル変電所におけるマルチキャスト送信のニュアンス

ただし、「エネルギー」マルチキャストには独自のニュアンスがあります。

注 1. GOOSE と SV には独自のマルチキャスト グループが定義されています

「エネルギー」マルチキャストの場合は、独自の配信グループが使用されます。

電気通信では、範囲 224.0.0.0/4 がマルチキャスト配信に使用されます (まれな例外を除き、予約されたアドレスがあります)。 ただし、IEC 61850 標準自体と PJSC FGC の IEC 61850 企業プロファイルは、独自のマルチキャスト配信範囲を定義しています。

SV ストリームの場合: 01-0C-CD-04-00-00 から 01-0C-CD-04-FF-FF。

GOOSE メッセージの場合: 01-0C-CD-04-00-00 から 01-0C-CD-04-FF-FF。

ポイント2. 端末はマルチキャストプロトコルを使用しない

XNUMX 番目のニュアンスはさらに重要です。リレー保護端末は IGMP または PIM をサポートしていません。 では、マルチキャストはどのように機能するのでしょうか? 彼らは必要な情報がポートに送信されるのを待っているだけです。 それらの。 特定の MAC アドレスに加入していることがわかっている場合は、すべての受信フレームを受け入れますが、必要なフレームのみを処理します。 残りは単に破棄されます。

言い換えれば、すべての希望はスイッチにかかっています。 しかし、端末が参加メッセージを送信しない場合、IGMP または PIM はどのように機能するのでしょうか? 答えは簡単です - ありえません。

また、SV ストリームは非常に重いデータです。 5 つのストリームの重さは約 20 Mbit/s です。 そしてこのままだとそれぞれのストリームが放送されることが分かります。 言い換えれば、100 つの XNUMX Mbit/s LAN に XNUMX ストリームだけをプルします。 また、大規模な変電所における SV フローの数は数百にも及びます。

では、解決策は何でしょうか？

シンプル - 実績のある古い VLAN を使用します。

さらに、デジタル変電所 LAN の IGMP は残酷な冗談を言う可能性があり、その逆も同様で、何も機能しません。 結局のところ、スイッチはリクエストがなければストリームの送信を開始しません。

したがって、単純なコミッショニング ルールを強調することができます。「ネットワークは機能していませんか?」 – IGMP を無効にしてください!」

規範ベース

しかし、マルチキャストに基づいてデジタル変電所用の LAN を何らかの形で構成することはまだ可能でしょうか? 次に、LAN に関する規制文書に目を向けてみましょう。 特に、次の STO からの抜粋を引用します。

• STO 34.01-21-004-2019 - デジタル パワー センター。 電圧 110 ～ 220 kV のデジタル変電所および電圧 35 kV のノードデジタル変電所の技術設計の要件。
• STO 34.01-6-005-2019 – エネルギーオブジェクトのスイッチ。 一般的な技術要件。
• STO 56947007-29.240.10.302-2020 - UNEG 変電所のプロセス制御システムにおける技術 LAN の構成とパフォーマンスに関する標準技術要件。

まず、これらのサービス ステーションでマルチキャストについて何がわかるか見てみましょう。 PJSC FGC UES の最新の STO にのみ言及があります。 LAN 受け入れテスト中に、サービス ステーションは、VLAN が正しく設定されているかどうかを確認し、作業マニュアルで指定されていないスイッチ ポートにマルチキャスト トラフィックがないことを確認するように求めます。

そうですね、サービス ステーションでは、サービス担当者がマルチキャストとは何かを知っている必要があるとも規定しています。

マルチキャストについては以上です...

ここで、これらのサービス ステーションで VLAN について何がわかるかを見てみましょう。

ここで、802.1 つのサービス ステーションすべてが、スイッチが IEEE XNUMXQ に基づく VLAN をサポートする必要があることに同意します。

STO 34.01-21-004-2019 では、フローの制御には VLAN を使用する必要があり、VLAN の助けを借りて、トラフィックをリレー保護、自動プロセス制御システム、AIIS KUE、ビデオ監視、通信などに分割する必要があると述べています。

さらに、STO 56947007-29.240.10.302-2020 では、設計中に VLAN 分散マップを準備することも必要です。 同時に、サービス ステーションは、DSP 機器用にさまざまな IP アドレスと VLAN を提供します。

STO は、さまざまな VLAN に対する推奨優先順位の表も提供します。

STO 56947007-29.240.10.302-2020 の推奨 VLAN 優先順位の表

フロー管理の観点から見ると、これで終わりです。 これらのサービス ステーションでは、さまざまなアーキテクチャから L3 設定まで、議論すべきことがまだたくさんありますが、これは次回に必ず実行します。

デジタル変電所のLANにおけるフロー管理についてまとめてみましょう。

まとめ

デジタル変電所では、大量のマルチキャスト ストリームが送信されるにもかかわらず、標準のマルチキャスト トラフィック管理メカニズム (IGMP、PIM) は実際には使用されません。 これは、エンド デバイスがマルチキャスト プロトコルをサポートしていないためです。

古き良き VLAN はフローの制御に使用されます。 同時に、VLAN の使用は規制文書によって規制されており、かなりよく練られた推奨事項が提供されています。

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出所： habr.com