Digital understasjon er en trend i energisektoren. Hvis du er nær temaet, så har du sikkert hørt at en stor mengde data overføres i form av multicast-strømmer. Men vet du hvordan du administrerer disse multicast-strømmene? Hvilke flytstyringsverktøy brukes? Hva gir forskriftsdokumentasjonen råd?
Alle som er interessert i å forstå dette temaet er velkommen til katten!
Hvordan overføres data over nettverket og hvorfor administrere multicast-strømmer?
Før jeg flytter direkte til den digitale understasjonen og nyansene ved å bygge et LAN, tilbyr jeg et kort pedagogisk program om typer dataoverføring og dataoverføringsprotokoller for arbeid med multicast-strømmer. Vi gjemte utdanningsprogrammet under en spoiler.
Dataoverføringstyper
Typer trafikk på et LAN
Det er fire typer dataoverføring:
- Broadcast – kringkasting.
- Unicast – meldinger mellom to enheter.
- Multicast – sende meldinger til en bestemt gruppe enheter.
- Ukjent Unicast – kringkasting med mål om å finne én enhet.
For ikke å forvirre kortene, la oss kort snakke om de tre andre typene dataoverføring før vi går videre til multicast.
Først av alt, la oss huske at innenfor et LAN gjøres adressering mellom enheter basert på MAC-adresser. Enhver melding som sendes har SRC MAC- og DST MAC-felt.
SRC MAC – kilde MAC – avsender MAC-adresse.
DST MAC – destinasjons-MAC – mottakers MAC-adresse.
Bryteren sender meldinger basert på disse feltene. Den slår opp DST MAC, finner den i MAC-adressetabellen og sender en melding til porten som er oppført i tabellen. Han ser også på SRC MAC. Hvis det ikke er en slik MAC-adresse i tabellen, blir et nytt "MAC-adresse - port"-par lagt til.
La oss nå snakke mer detaljert om typene dataoverføring.
unicast
Unicast er adresseoverføringen av meldinger mellom to enheter. I hovedsak er dette punkt-til-punkt dataoverføring. Med andre ord, to enheter bruker alltid Unicast for å kommunisere med hverandre.
Unicast trafikkoverføring
Kringkaste
Broadcast er en kringkastingsmelding. De. kringkasting, når en enhet sender en melding til alle andre enheter på nettverket.
For å sende en kringkastingsmelding, spesifiserer avsenderen DST MAC-adressen FF:FF:FF:FF:FF:FF.
Kringkast trafikkoverføring
Ukjent Unicast
Ukjent Unicast er ved første øyekast veldig lik Broadcast. Men det er en forskjell mellom dem - meldingen sendes til alle nettverksdeltakere, men er kun beregnet på én enhet. Det er som en melding i et kjøpesenter som ber deg om å parkere bilen din. Alle vil høre denne meldingen, men bare én vil svare.
Når svitsjen mottar en ramme og ikke kan finne destinasjons-MAC fra den i MAC-adressetabellen, sender den ganske enkelt denne meldingen til alle porter bortsett fra den den mottok den fra. Bare én enhet vil svare på en slik utsendelse.
Overføring av ukjent Unicast-trafikk
Multicast
Multicast er sending av en melding til en gruppe enheter som "ønsker" å motta disse dataene. Det ligner veldig på et webinar. Det sendes over hele Internett, men bare de som er interessert i dette emnet kobler til det.
Denne dataoverføringsmodellen kalles "Publisher - Subscriber". Det er én utgiver som sender data og abonnenter som ønsker å motta disse dataene abonnerer på den.
Med multicast-kringkasting sendes meldingen fra en ekte enhet. Kilde-MAC-en i rammen er avsenderens MAC. Men Destination MAC er en virtuell adresse.
Enheten må koble seg til gruppen for å motta data fra den. Switchen omdirigerer informasjonsstrømmer mellom enheter – den husker hvilke porter dataene overføres fra og vet hvilke porter disse dataene skal sendes til.
Overføring av Multicast-trafikk
Et viktig poeng er at IP-adresser ofte brukes som virtuelle grupper, men siden... Siden denne artikkelen handler om energi, vil vi snakke om MAC-adresser. I IEC 61850-familien av protokoller som brukes for den digitale understasjonen, er inndelingen i grupper basert på MAC-adresser
Et kort pedagogisk program om MAC-adressen
MAC-adressen er en 48-bits verdi som unikt identifiserer en enhet. Den er delt inn i 6 oktetter. De tre første oktettene inneholder produsentinformasjon. Oktettene 4, 5 og 6 er tildelt av produsenten og er enhetsnummeret.
MAC-adressestruktur
I den første oktetten bestemmer den åttende biten om meldingen er unicast eller multicast. Hvis den åttende biten er 0, er denne MAC-adressen adressen til den virkelige fysiske enheten.
Og hvis den åttende biten er 1, så er denne MAC-adressen virtuell. Det vil si at denne MAC-adressen ikke tilhører en ekte fysisk enhet, men til en virtuell gruppe.
Et virtuelt team kan sammenlignes med et kringkastingstårn. Radioselskapet sender litt musikk til dette tårnet, og de som vil høre på det stiller inn mottakerne til ønsket frekvens.
Også, for eksempel, sender et IP-videokamera data til en virtuell gruppe, og de enhetene som ønsker å motta disse dataene kobler seg til denne gruppen.
Åttende bit av den første oktetten av MAC-adressen
Hvis multicast-støtte ikke er aktivert på bryteren, vil den oppfatte multicast-strømmen som en kringkasting. Følgelig, hvis det er mange slike strømmer, vil vi veldig raskt tette nettverket med "søppel" trafikk.
Hva er essensen av multicast?
Hovedideen til multicast er at bare én kopi av trafikken sendes fra enheten. Switchen bestemmer hvilke porter abonnentene er på og overfører data fra avsenderen til dem. Dermed lar multicast deg redusere dataene som overføres gjennom nettverket betydelig.
Hvordan fungerer dette på et ekte LAN?
Det er klart at det ikke er nok å bare sende én kopi av trafikken til en MAC-adresse hvis åttende bit av den første oktetten er 1. Abonnenter må kunne koble seg til denne gruppen. Og brytere må forstå hvilke porter data kommer fra og til hvilke porter det må overføres. Først da vil multicast gjøre det mulig å optimalisere nettverk og administrere flyter.
For å implementere denne funksjonaliteten finnes det multicast-protokoller. Den vanligste:
- IGMP.
- PIM.
I denne artikkelen vil vi snakke tangentielt om det generelle driftsprinsippet til disse protokollene.
IGMP
En IGMP-aktivert bryter husker hvilken port multicast-strømmen kommer på. Abonnenter må sende en IMGP Bli med-melding for å bli med i gruppen. Switchen legger til porten som IGMP Join kom fra til listen over nedstrømsgrensesnitt og begynner å overføre multicast-strømmen dit. Switchen sender kontinuerlig IGMP Query-meldinger til nedstrømsporter for å sjekke om den må fortsette å overføre data. Hvis en IGMP Leave-melding ble mottatt fra en port eller det ikke var noe svar på en IGMP Query-melding, stoppes kringkastingen til den.
PIM
PIM-protokollen har to implementeringer:
- PIM DM.
- PIM SM.
PIM DM-protokollen fungerer omvendt av IGMP. Svitsjen sender i utgangspunktet multicast-strømmen som en kringkasting til alle porter bortsett fra den den ble mottatt fra. Deretter deaktiverer den flyten på de portene som meldingene kom fra om at det ikke var nødvendig.
PIM SM opererer nær IGMP.
For veldig grovt å oppsummere det generelle prinsippet for multicast-operasjon - utgiveren sender en multicast-strøm til en spesifikk MAC-gruppe, abonnenter sender forespørsler om å koble til denne gruppen, brytere administrerer disse strømmene.
Hvorfor gikk vi over multicast så overfladisk? La oss snakke om detaljene til den digitale understasjonen LAN for å forstå dette.
Hva er en digital understasjon og hvorfor er multicast nødvendig der?
Før du snakker om den digitale understasjonen LAN, må du forstå hva en digital understasjon er. Så svar på spørsmålet:
- Hvem er involvert i dataoverføringen?
- Hvilke data overføres til LAN?
- Hva er den typiske LAN-arkitekturen?
Og diskuter multicast etter det...
Hva er en digital understasjon?
Digital understasjon er en understasjon der alle systemer har et meget høyt automatiseringsnivå. Alt sekundært og primært utstyr til en slik nettstasjon er fokusert på digital dataoverføring. Datautveksling er bygget i samsvar med overføringsprotokollene beskrevet i IEC 61850-standarden.
Følgelig overføres alle data digitalt her:
- Målinger.
- Diagnostisk informasjon.
- Kontrollkommandoer.
Denne trenden har fått stor utvikling i den russiske energisektoren og implementeres nå overalt. I 2019 og 2020 dukket det opp mange reguleringsdokumenter som regulerer opprettelsen av en digital understasjon på alle stadier av utviklingen. For eksempel definerer STO 34.01-21-004-2019 PJSC "Rosseti" følgende definisjon og kriterier for en sentral bensinstasjon:
Definisjon:
Digital understasjon er en automatisert understasjon utstyrt med digitale informasjons- og kontrollsystemer som samhandler i en enkelttidsmodus og fungerer uten tilstedeværelse av fast tjenestepersonell.
Kriterier:
- fjernobservasjon av parametere og driftsmoduser for utstyr og systemer som er nødvendige for normal drift uten konstant tilstedeværelse av vakt- og vedlikeholdspersonell;
- å tilby telekontroll av utstyr og systemer for drift av understasjon uten konstant tilstedeværelse av vakt- og vedlikeholdspersonell;
- høyt nivå av automatisering av utstyr og systemadministrasjon ved bruk av intelligente kontrollsystemer for driftsmoduser for utstyr og systemer;
- fjernkontroll av alle teknologiske prosesser i en enkelt tidsmodus;
- digital datautveksling mellom alle teknologiske systemer i ett enkelt format;
- integrasjon i det elektriske nettverket og bedriftsstyringssystemet, samt sikre digital interaksjon med relevante infrastrukturorganisasjoner (med tilhørende fasiliteter);
- funksjonell og informasjonssikkerhet under digitalisering av teknologiske prosesser;
- kontinuerlig overvåking av tilstanden til det viktigste teknologiske utstyret og systemene online med overføring av nødvendig mengde digitale data, kontrollerte parametere og signaler.
Hvem er involvert i dataoverføringen?
Den digitale understasjonen inkluderer følgende systemer:
- Relébeskyttelsessystemer. Relébeskyttelse er praktisk talt "hjertet" til den digitale understasjonen. Relébeskyttelsesklemmer tar strøm- og spenningsverdier fra målesystemer. Basert på disse dataene utarbeider terminalene den interne beskyttelseslogikken. Terminalene kommuniserer med hverandre for å overføre informasjon om aktiverte beskyttelser, posisjonene til koblingsenheter osv. Terminalene sender også informasjon om hendelser som har skjedd til ICS-serveren. Totalt kan flere typer kommunikasjon skilles:
▸Horisontal tilkobling – kommunikasjon mellom terminaler.
▸Vertikal tilkobling – kommunikasjon med serveren for automatisert prosesskontrollsystem.
▸Målinger – kommunikasjon med måleapparater.
- Kommersielle strømmålesystemer.Depotmålesystemer kommuniserer kun med måleenheter.
- Forsendelseskontrollsystemer.Deldata skal sendes fra serveren for automatisert prosesskontrollsystem og fra den kommersielle regnskapsserveren til kontrollsenteret.
Dette er en veldig forenklet liste over systemer som utveksler data som en del av en digital understasjon. Hvis du er interessert i å gå dypere inn i dette emnet, skriv i kommentarfeltet.
Vi forteller deg om dette separat 😉
Hvilke data overføres til LAN?
For å kombinere de beskrevne systemene med hverandre og organisere horisontal og vertikal kommunikasjon, samt overføring av målinger, organiseres busser. For nå, la oss bli enige om at hver buss bare er et eget LAN på industrielle Ethernet-svitsjer.
Blokkskjema over et elektrisk kraftanlegg i samsvar med IEC 61850
Blokkdiagrammet viser dekkene:
- Overvåking/Kontroll.
- Overføring av relébeskyttelsessignaler.
- Overføring av øyeblikkelige spenninger og strømmer.
Beskyttelsesreléterminaler deltar i både horisontal og vertikal kommunikasjon og bruker også målinger, slik at de er koblet til alle busser.
Gjennom bussen "Overføring av relébeskyttelsessignaler" overfører terminalene informasjon seg imellom. De. her implementeres en horisontal forbindelse.
Overføringen av målinger implementeres gjennom bussen "Overføring av øyeblikkelige verdier av spenninger og strømmer". Måleenheter - strøm- og spenningstransformatorer, samt relébeskyttelsesklemmer - er koblet til denne bussen.
ASKUE-serveren er også koblet til bussen "Overføring av øyeblikkelige verdier av spenninger og strømmer", som også tar målinger for regnskap.
Og bussen "Monitoring/Control" tjener til vertikal kommunikasjon. De. gjennom den sender terminalene ulike hendelser til ICS-serveren, og serveren sender også kontrollkommandoer til terminalene.
Fra den automatiserte prosesskontrollsystemserveren sendes data til kontrollsenteret.
Hva er den typiske LAN-arkitekturen?
La oss gå videre fra et abstrakt og ganske konvensjonelt strukturdiagram til mer hverdagslige og virkelige ting.
Diagrammet nedenfor viser en ganske standard LAN-arkitektur for en digital understasjon.
Digital understasjonsarkitektur
Ved 6 kV eller 35 kV understasjoner vil nettverket være enklere, men hvis vi snakker om understasjoner på 110 kV, 220 kV og høyere, samt LAN til kraftstasjoner, vil arkitekturen tilsvare den som er vist.
Arkitekturen er delt inn i tre nivåer:
- Stasjons-/nettstasjonsnivå.
- Bli med nivå.
- Prosessnivå.
Stasjons-/nettstasjonsnivå inkluderer arbeidsstasjoner og servere.
Bli med nivå inkluderer alt teknologisk utstyr.
Prosessnivå inkluderer måleutstyr.
Det er også to busser for å kombinere nivåer:
- Stasjons-/nettstasjon buss.
- Prosessbuss.
Stasjons-/understasjonsbussen kombinerer funksjonene til bussen "Overvåking/kontroll" og bussen "Relébeskyttelsessignaloverføring". Og prosessbussen utfører funksjonene til bussen "Overføring av øyeblikkelig spenning og strømverdier".
Funksjoner ved multicast-overføring i en digital understasjon
Hvilke data overføres ved hjelp av multicast?
Horisontal kommunikasjon og overføring av målinger innenfor den digitale understasjonen utføres ved å bruke Publisher-Subscriber-arkitekturen. De. Relébeskyttelsesterminaler bruker multicast-strømmer for å utveksle meldinger seg imellom, og målinger overføres også ved hjelp av multicast.
Før den digitale transformatorstasjonen i energisektoren ble horisontal kommunikasjon implementert ved hjelp av punkt-til-punkt kommunikasjon mellom terminaler. Enten en kobber- eller optisk kabel ble brukt som grensesnitt. Data ble overført ved hjelp av proprietære protokoller.
Det ble stilt svært høye krav til denne forbindelsen, pga disse kanalene overførte signaler om beskyttelsesaktivering, posisjonen til koblingsenheter, etc. Algoritmen for operasjonell blokkering av terminaler var avhengig av denne informasjonen.
Hvis data overføres sakte eller ikke garantert, er det stor sannsynlighet for at en av terminalene ikke vil motta oppdatert informasjon om den aktuelle situasjonen og kan sende et signal om å slå av eller på koblingsenheten når f.eks. , det utføres noe arbeid på den. Eller bryterfeilen vil ikke fungere i tide og kortslutningen vil spre seg til resten av den elektriske kretsen. Alt dette er beheftet med store økonomiske tap og en trussel mot menneskeliv.
Derfor måtte dataene overføres:
- Pålitelig.
- Garantert.
- Raskt.
Nå brukes i stedet for punkt-til-punkt-kommunikasjon en stasjons-/nettstasjonsbuss, dvs. LAN. Og dataene overføres ved hjelp av GOOSE-protokollen, som er beskrevet av IEC 61850-standarden (i IEC 61850-8-1, for å være mer presis).
GOOSE står for General Object Oriented Substation Event, men denne avkodingen er ikke lenger særlig relevant og bærer ingen semantisk belastning.
Som en del av denne protokollen utveksler relébeskyttelsesterminaler GOOSE-meldinger med hverandre.
Overgangen fra punkt-til-punkt-kommunikasjon til et LAN endret ikke tilnærmingen. Data må fortsatt overføres pålitelig, sikkert og raskt. Derfor bruker GOOSE-meldinger en noe uvanlig dataoverføringsmekanisme. Mer om ham senere.
Målinger, som vi allerede har diskutert, overføres også ved hjelp av multicast-strømmer. I DSP-terminologi kalles disse strømmene SV-strømmer (Sampled Value).
SV-strømmer er meldinger som inneholder et spesifikt sett med data og overføres kontinuerlig med en viss periode. Hver melding inneholder en måling på et bestemt tidspunkt. Målinger tas med en viss frekvens – prøvetakingsfrekvensen.
Samplingsfrekvens er samplingsfrekvensen til et tidskontinuerlig signal når det samples.
Samplingshastighet 80 prøver per sekund
Sammensetningen av SV-strømmer er beskrevet i IEC61850-9-2 LE.
SV-strømmer overføres via prosessbussen.
Prosessbuss er et kommunikasjonsnettverk som gir datautveksling mellom måleenheter og enheter på tilkoblingsnivå. Reglene for utveksling av data (øyeblikkelige strøm- og spenningsverdier) er beskrevet i IEC 61850-9-2-standarden (for øyeblikket brukes IEC 61850-9-2 LE-profilen).
SV-strømmer, som GOOSE-meldinger, må overføres raskt. Hvis målingene overføres sakte, kan det hende at terminalene ikke mottar strømmen eller spenningen som kreves for å utløse beskyttelsen i tide, og kortslutningen vil da spre seg til en stor del av det elektriske nettet og forårsake stor skade.
Hvorfor er multicast nødvendig?
Som nevnt ovenfor, for å dekke dataoverføringskravene for horisontal kommunikasjon, overføres GÅS noe uvanlig.
For det første overføres de på datalinknivå og har sin egen Ethertype – 0x88b8. Dette sikrer høye dataoverføringshastigheter.
Nå er det nødvendig å lukke kravene til garanti og pålitelighet.
Det er klart at det er nødvendig å forstå om meldingen ble levert, men vi kan ikke organisere sending av mottaksbekreftelser, slik det for eksempel gjøres i TCP. Dette vil redusere dataoverføringshastigheten betydelig.
Derfor brukes en Publisher-Subscriber-arkitektur for å overføre GOOSE.
Utgiver-abonnentarkitektur
Enheten sender en GÅS-melding til bussen og abonnenter mottar meldingen. Dessuten sendes meldingen med en konstant tid T0. Hvis en hendelse inntreffer, genereres en ny melding, uavhengig av om forrige periode T0 er avsluttet eller ikke. Den neste meldingen med nye data genereres etter svært kort tid, deretter etter en litt lengre periode, og så videre. Som et resultat øker tiden til T0.
Prinsippet for å sende GOOSE-meldinger
Abonnenten vet hvem den mottar meldinger fra, og hvis den ikke har mottatt melding fra noen etter tid T0, så genererer den en feilmelding.
SV-strømmer overføres også på datalinknivå, har sin egen Ethertype - 0x88BA og overføres i henhold til "Publisher – Subscriber"-modellen.
Nyanser av multicast-overføring i en digital understasjon
Men "energi" multicast har sine egne nyanser.
Merknad 1. GOOSE og SV har sine egne multicast-grupper definert
For "energi" multicast brukes deres egne distribusjonsgrupper.
I telekom brukes området 224.0.0.0/4 for multicast-distribusjon (med sjeldne unntak er det reserverte adresser). Men selve IEC 61850-standarden og IEC 61850-bedriftsprofilen fra PJSC FGC definerer sine egne multicast-distribusjonsområder.
For SV-strømmer: fra 01-0C-CD-04-00-00 til 01-0C-CD-04-FF-FF.
For GOOSE-meldinger: fra 01-0C-CD-04-00-00 til 01-0C-CD-04-FF-FF.
Punkt 2. Terminalene bruker ikke multicast-protokoller
Den andre nyansen er mye mer betydelig - relébeskyttelsesterminaler støtter ikke IGMP eller PIM. Så hvordan fungerer de med multicast? De venter rett og slett på at nødvendig informasjon skal sendes til havnen. De. hvis de vet at de abonnerer på en bestemt MAC-adresse, godtar de alle innkommende rammer, men behandler bare de nødvendige. Resten blir rett og slett kastet.
Alt håp hviler med andre ord på bryterne. Men hvordan vil IGMP eller PIM fungere hvis terminalene ikke sender Join-meldinger? Svaret er enkelt - ingen måte.
Og SV-strømmer er ganske tunge data. En strøm veier omtrent 5 Mbit/s. Og hvis alt blir stående som det er, viser det seg at hver strøm vil bli sendt. Med andre ord vil vi trekke bare 20 strømmer til ett 100 Mbit/s LAN. Og antall SV-strømmer ved en stor nettstasjon er målt i hundrevis.
Hva er løsningen da?
Enkelt - bruk gamle velprøvde VLAN-er.
Dessuten kan IGMP i Digital Substation LAN spille en grusom spøk, og omvendt, ingenting vil fungere. Tross alt vil ikke brytere begynne å overføre strømmer uten forespørsel.
Derfor kan vi fremheve en enkel idriftsettelsesregel - "Funker ikke nettverket? – Deaktiver IGMP!»
Normativ basis
Men kanskje er det fortsatt mulig å organisere et LAN for en digital understasjon basert på multicast? La oss prøve å gå nå til forskriftsdokumentasjonen på LAN. Spesielt vil jeg sitere utdrag fra følgende STOer:
- STO 34.01-21-004-2019 - DIGITALT STRØMSENTER. KRAV TIL TEKNOLOGISK UTFORMING AV DIGITALE NETTSTENSKAPER MED SPENNING 110-220 kV OG NODE DIGITALE NETTSTENSKAPER MED SPENNING 35 kV.
- STO 34.01-6-005-2019 – BRYTERE AV ENERGIOBJEKTER. Generelle tekniske krav.
- STO 56947007-29.240.10.302-2020 - Standard tekniske krav for organisering og ytelse av teknologiske LAN i prosesskontrollsystemet til UNEG-transformatorstasjonen.
La oss først se hva som finnes i disse bensinstasjonene om multicast? Det er kun omtale i den siste STO-en fra PJSC FGC UES. Under LAN-aksepttestene ber bensinstasjonen deg sjekke om VLAN-ene er riktig konfigurert og sjekke at det ikke er multicast-trafikk i switchporter som ikke er spesifisert i arbeidsdokumentasjonen.
Vel, bensinstasjonen foreskriver også at servicepersonell må vite hva multicast er.
Det handler om multicast...
La oss nå se hva du kan finne på disse bensinstasjonene om VLAN.
Her er alle tre bensinstasjoner enige om at switcher må støtte VLAN basert på IEEE 802.1Q.
STO 34.01-21-004-2019 sier at VLAN skal brukes til å kontrollere flyter, og ved hjelp av VLAN skal trafikk deles inn i relébeskyttelse, automatiserte prosesskontrollsystemer, AIIS KUE, videoovervåking, kommunikasjon osv.
STO 56947007-29.240.10.302-2020 krever i tillegg også utarbeidelse av et VLAN-distribusjonskart under design. Samtidig tilbyr bensinstasjonen sine utvalg av IP-adresser og VLANer for DSP-utstyr.
STO gir også en tabell over anbefalte prioriteringer for forskjellige VLAN.
Tabell over anbefalte VLAN-prioriteter fra STO 56947007-29.240.10.302-2020
Fra et flytstyringsperspektiv er det det. Selv om det fortsatt er mye å diskutere på disse bensinstasjonene – fra ulike arkitekturer til L3-innstillinger – vil vi definitivt gjøre dette, men neste gang.
La oss nå oppsummere flytstyringen i LAN-en til den digitale understasjonen.
Konklusjon
I den digitale understasjonen, til tross for at mange multicast-strømmer blir overført, brukes ikke standard multicast-trafikkstyringsmekanismer (IGMP, PIM). Dette skyldes det faktum at sluttenhetene ikke støtter noen multicast-protokoller.
Gode gamle VLAN-er brukes til å kontrollere flyter. Samtidig er bruken av VLAN regulert av forskriftsdokumentasjon, som gir ganske velutviklede anbefalinger.
Nyttige lenker:
.
Kilde: www.habr.com