Subestação Digital é tendência no setor de energia. Se você está próximo do assunto, provavelmente já ouviu falar que uma grande quantidade de dados é transmitida na forma de fluxos multicast. Mas você sabe como gerenciar esses fluxos multicast? Quais ferramentas de gerenciamento de fluxo são usadas? O que a documentação regulatória aconselha?
Quem tiver interesse em entender esse tema é bem-vindo ao gato!
Como os dados são transmitidos pela rede e por que gerenciar fluxos multicast?
Antes de passar diretamente para a Subestação Digital e as nuances da construção de uma LAN, ofereço um breve programa educacional sobre os tipos de transferência de dados e protocolos de transferência de dados para trabalhar com fluxos multicast. Escondemos o programa educacional sob um spoiler.
Tipos de transferência de dados
Tipos de tráfego em uma LAN
Existem quatro tipos de transferência de dados:
- Transmissão – transmissão.
- Unicast – mensagens entre dois dispositivos.
- Multicast – envio de mensagens para um grupo específico de dispositivos.
- Unicast desconhecido – transmissão com o objetivo de encontrar um dispositivo.
Para não confundir os cartões, vamos falar brevemente sobre os outros três tipos de transmissão de dados antes de passarmos para o multicast.
Em primeiro lugar, lembremos que dentro de uma LAN o endereçamento entre dispositivos é feito com base em endereços MAC. Qualquer mensagem transmitida possui campos SRC MAC e DST MAC.
SRC MAC – MAC de origem – endereço MAC do remetente.
DST MAC – MAC de destino – endereço MAC do destinatário.
O switch transmite mensagens com base nesses campos. Ele procura o DST MAC, encontra-o na tabela de endereços MAC e envia uma mensagem para a porta listada na tabela. Ele também assiste SRC MAC. Se não houver tal endereço MAC na tabela, um novo par “Endereço MAC – porta” será adicionado.
Agora vamos falar mais detalhadamente sobre os tipos de transferência de dados.
Unicast
Unicast é a transmissão de endereços de mensagens entre dois dispositivos. Essencialmente, trata-se de transferência de dados ponto a ponto. Em outras palavras, dois dispositivos sempre usam Unicast para se comunicarem.
Transmissão de tráfego unicast
Transmissões
Broadcast é uma mensagem de transmissão. Aqueles. transmissão, quando um dispositivo envia uma mensagem para todos os outros dispositivos na rede.
Para enviar uma mensagem de difusão, o remetente especifica o endereço MAC DST FF:FF:FF:FF:FF:FF.
Transmissão de tráfego de transmissão
Unicast desconhecido
O Unknown Unicast, à primeira vista, é muito semelhante ao Broadcast. Mas há uma diferença entre eles - a mensagem é enviada a todos os participantes da rede, mas destina-se apenas a um dispositivo. É como uma mensagem em um shopping pedindo que você estacione seu carro. Todos ouvirão esta mensagem, mas apenas um responderá.
Quando o switch recebe um quadro e não consegue encontrar o MAC de destino dele na tabela de endereços MAC, ele simplesmente transmite essa mensagem para todas as portas, exceto aquela de onde a recebeu. Apenas um dispositivo responderá a tal correspondência.
Transmissão de tráfego Unicast desconhecido
multicast
Multicast é o envio de uma mensagem para um grupo de dispositivos que “desejam” receber esses dados. É muito semelhante a um webinar. É transmitido pela Internet, mas apenas as pessoas interessadas no assunto se conectam a ele.
Este modelo de transferência de dados é denominado “Editor - Assinante”. Existe um Publicador que envia dados e Os Assinantes que desejam receber esses dados assinam-nos.
Na transmissão multicast, a mensagem é enviada de um dispositivo real. O MAC de origem no quadro é o MAC do remetente. Mas o MAC de destino é um endereço virtual.
O dispositivo deve se conectar ao grupo para receber dados dele. O switch redireciona os fluxos de informações entre os dispositivos - ele lembra de quais portas os dados são transmitidos e sabe para quais portas esses dados devem ser enviados.
Transmissão de tráfego Multicast
Um ponto importante é que os endereços IP são frequentemente usados como grupos virtuais, mas desde... Como este artigo é sobre energia, falaremos sobre endereços MAC. Na família de protocolos IEC 61850 que são utilizados para a Subestação Digital, a divisão em grupos é baseada em endereços MAC
Um breve programa educacional sobre o endereço MAC
O endereço MAC é um valor de 48 bits que identifica exclusivamente um dispositivo. Está dividido em 6 octetos. Os primeiros três octetos contêm informações do fabricante. Os octetos 4, 5 e 6 são atribuídos pelo fabricante e representam o número do dispositivo.
Estrutura de endereço MAC
No primeiro octeto, o oitavo bit determina se a mensagem é unicast ou multicast. Se o oitavo bit for 0, então este endereço MAC é o endereço do dispositivo físico real.
E se o oitavo bit for 1, então este endereço MAC é virtual. Ou seja, este endereço MAC não pertence a um dispositivo físico real, mas sim a um grupo virtual.
Uma equipe virtual pode ser comparada a uma torre de transmissão. A emissora de rádio transmite algumas músicas para esta torre, e quem quiser ouvi-las sintoniza seus receptores na frequência desejada.
Além disso, por exemplo, uma câmera de vídeo IP envia dados para um grupo virtual, e os dispositivos que desejam receber esses dados se conectam a este grupo.
Oitavo bit do primeiro octeto do endereço MAC
Se o suporte multicast não estiver habilitado no switch, ele perceberá o fluxo multicast como uma transmissão. Conseqüentemente, se houver muitos desses fluxos, obstruiremos muito rapidamente a rede com tráfego “lixo”.
Qual é a essência do multicast?
A ideia principal do multicast é que apenas uma cópia do tráfego seja enviada do dispositivo. O switch determina em quais portas os assinantes estão e transmite dados do remetente para eles. Assim, o multicast permite reduzir significativamente os dados transmitidos pela rede.
Como isso funciona em uma LAN real?
É claro que não basta simplesmente enviar uma cópia do tráfego para algum endereço MAC cujo oitavo bit do primeiro octeto seja 1. Os assinantes devem ser capazes de se conectar a este grupo. E os switches devem entender de quais portas os dados vêm e para quais portas eles precisam ser transmitidos. Só então o multicast permitirá otimizar redes e gerenciar fluxos.
Para implementar esta funcionalidade, existem protocolos multicast. O mais comum:
- IGMP.
- PIM.
Neste artigo falaremos tangencialmente sobre o princípio geral de funcionamento desses protocolos.
IGMP
Um switch habilitado para IGMP lembra em qual porta o fluxo multicast chega. Os assinantes devem enviar uma mensagem IMGP Join para ingressar no grupo. O switch adiciona a porta da qual o IGMP Join veio à lista de interfaces downstream e começa a transmitir o fluxo multicast lá. O switch envia continuamente mensagens de consulta IGMP para portas downstream para verificar se precisa continuar transmitindo dados. Se uma mensagem de saída IGMP foi recebida de uma porta ou não houve resposta a uma mensagem de consulta IGMP, a transmissão para ela será interrompida.
PIM
O protocolo PIM possui duas implementações:
- PIM DM.
- PIM SM.
O protocolo PIM DM opera ao contrário do IGMP. O switch inicialmente envia o fluxo multicast como um broadcast para todas as portas, exceto aquela de onde foi recebido. Em seguida, ele desativa o fluxo nas portas de onde vieram mensagens que não eram necessárias.
O PIM SM opera próximo ao IGMP.
Para resumir de maneira muito aproximada o princípio geral da operação multicast - o Publicador envia um fluxo multicast para um grupo MAC específico, os assinantes enviam solicitações para se conectar a esse grupo, os switches gerenciam esses fluxos.
Por que abordamos o multicast tão superficialmente? Vamos falar sobre as especificidades da LAN da Subestação Digital para entender isso.
O que é uma subestação digital e por que o multicast é necessário nela?
Antes de falar sobre LAN de Subestação Digital, você precisa entender o que é uma Subestação Digital. Então responda às perguntas:
- Quem está envolvido na transferência de dados?
- Quais dados são transferidos para a LAN?
- Qual é a arquitetura típica de LAN?
E depois disso discuta o multicast...
O que é uma subestação digital?
Subestação Digital é uma subestação em que todos os sistemas possuem um altíssimo nível de automação. Todos os equipamentos secundários e primários dessa subestação são focados na transmissão digital de dados. A troca de dados é construída de acordo com os protocolos de transmissão descritos na norma IEC 61850.
Assim, todos os dados são transmitidos digitalmente aqui:
- Medidas.
- Informações de diagnóstico.
- Comandos de controle.
Esta tendência teve um grande desenvolvimento no sector energético russo e está agora a ser implementada em todo o lado. Em 2019 e 2020, surgiram diversos documentos normativos regulamentando a criação de uma Subestação Digital em todas as fases de desenvolvimento. Por exemplo, STO 34.01-21-004-2019 PJSC "Rosseti" define a seguinte definição e critérios para uma estação central de serviço:
Definição:
Subestação digital é uma subestação automatizada equipada com sistemas digitais de informação e controle interagindo em modo único e operando sem a presença de pessoal de plantão permanente.
Critérios:
- observabilidade remota dos parâmetros e modos de operação de equipamentos e sistemas necessários à operação normal, sem a presença constante de pessoal operacional de plantão e manutenção;
- fornecer telecontrole de equipamentos e sistemas para operação de subestações sem a presença constante de pessoal operacional de plantão e manutenção;
- alto nível de automação do gerenciamento de equipamentos e sistemas utilizando sistemas de controle inteligentes para modos de operação de equipamentos e sistemas;
- controle remoto de todos os processos tecnológicos em um único modo de tempo;
- troca digital de dados entre todos os sistemas tecnológicos em um único formato;
- integração na rede elétrica e sistema de gestão empresarial, bem como garantir a interação digital com organizações de infraestrutura relevantes (com instalações relacionadas);
- segurança funcional e da informação durante a digitalização de processos tecnológicos;
- monitoramento contínuo do estado dos principais equipamentos e sistemas tecnológicos online com transmissão da quantidade necessária de dados digitais, parâmetros controlados e sinais.
Quem está envolvido na transferência de dados?
A Subestação Digital inclui os seguintes sistemas:
- Sistemas de proteção de relés. A proteção de relés é praticamente o “coração” da Subestação Digital. Os terminais de proteção do relé obtêm valores de corrente e tensão dos sistemas de medição. Com base nestes dados, os terminais elaboram a lógica de proteção interna. Os terminais comunicam-se entre si para transmitir informações sobre as proteções ativadas, as posições dos dispositivos de comutação, etc. Os terminais também enviam informações sobre eventos ocorridos ao servidor ICS. No total, vários tipos de comunicação podem ser distinguidos:
▸Conexão horizontal – comunicação entre terminais.
▸Conexão vertical – comunicação com o servidor do sistema automatizado de controle de processos.
▸Измерения – comunicação com dispositivos de medição.
- Sistemas comerciais de medição de eletricidade.Os sistemas de medição de custódia comunicam-se apenas com dispositivos de medição.
- Sistemas de controle de despacho.Os dados parciais devem ser enviados do servidor do sistema automatizado de controle de processos e do servidor de contabilidade comercial para o centro de controle.
Esta é uma lista muito simplificada de sistemas que trocam dados como parte de uma Subestação Digital. Se você tiver interesse em se aprofundar neste tema, escreva nos comentários.
Falaremos sobre isso separadamente 😉
Quais dados são transferidos para a LAN?
Para combinar os sistemas descritos entre si e organizar a comunicação horizontal e vertical, bem como a transferência de medições, são organizados ônibus. Por enquanto, vamos concordar que cada barramento é apenas uma LAN separada em switches Ethernet industriais.
Diagrama de blocos de uma instalação de energia elétrica de acordo com IEC 61850
O diagrama de blocos mostra os pneus:
- Monitoramento/Controle.
- Transmissão de sinais de proteção de relé.
- Transmissão de tensões e correntes instantâneas.
Os terminais do relé de proteção participam da comunicação horizontal e vertical e também utilizam medições, por isso estão conectados a todos os barramentos.
Através do barramento “Transmissão de sinais de proteção de relés”, os terminais transmitem informações entre si. Aqueles. aqui uma conexão horizontal é implementada.
A transmissão das medições é implementada através do barramento “Transmissão de valores instantâneos de tensões e correntes”. Dispositivos de medição - transformadores de corrente e tensão, bem como terminais de proteção de relés - são conectados a este barramento.
Além disso, o servidor ASKUE está conectado ao barramento “Transmissão de valores instantâneos de tensões e correntes”, que também faz medições para contabilização.
E o barramento “Monitoramento/Controle” serve para comunicação vertical. Aqueles. através dele, os terminais enviam diversos eventos para o servidor ICS, e o servidor também envia comandos de controle para os terminais.
Do servidor do sistema automatizado de controle de processos, os dados são enviados para o centro de controle.
Qual é a arquitetura típica de LAN?
Vamos passar de um diagrama estrutural abstrato e bastante convencional para coisas mais mundanas e reais.
O diagrama abaixo mostra uma arquitetura LAN bastante padrão para uma Subestação Digital.
Arquitetura de Subestação Digital
Nas subestações de 6 kV ou 35 kV a rede será mais simples, mas se estamos falando de subestações de 110 kV, 220 kV e superiores, bem como da LAN das centrais, então a arquitetura corresponderá à mostrada.
A arquitetura é dividida em três níveis:
- Nível de estação/subestação.
- Junte-se ao nível.
- Nível de processo.
Nível de estação/subestação inclui estações de trabalho e servidores.
Nível de adesão inclui todos os equipamentos tecnológicos.
Nível de processo inclui equipamento de medição.
Existem também dois ônibus para combinar níveis:
- Barramento de estação/subestação.
- Barramento de processo.
O barramento de estação/subestação combina as funções do barramento “Monitoramento/Controle” e do barramento “Transmissão de Sinal de Proteção de Relé”. E o barramento de processo desempenha as funções do barramento “Transmissão de valores instantâneos de tensão e corrente”.
Características da transmissão Multicast em uma Subestação Digital
Quais dados são transmitidos usando multicast?
A comunicação horizontal e a transmissão de medições dentro da Subestação Digital são realizadas utilizando a arquitetura Editor-Assinante. Aqueles. Os terminais de proteção de relé usam fluxos multicast para trocar mensagens entre si, e as medições também são transmitidas usando multicast.
Antes da subestação digital no setor de energia, a comunicação horizontal era implementada por meio de comunicação ponto a ponto entre terminais. Um cabo de cobre ou óptico foi usado como interface. Os dados foram transmitidos usando protocolos proprietários.
Foram colocadas exigências muito elevadas a esta ligação, porque esses canais transmitiam sinais de ativação de proteção, posição de dispositivos de manobra, etc. O algoritmo de bloqueio operacional dos terminais dependia desta informação.
Se os dados forem transmitidos lentamente ou não garantidos, existe uma grande probabilidade de que um dos terminais não receba informações atualizadas sobre a situação atual e possa enviar um sinal para desligar ou ligar o dispositivo de comutação quando, por exemplo , algum trabalho é realizado nele. Ou a falha do disjuntor não funcionará a tempo e o curto-circuito se espalhará para o resto do circuito elétrico. Tudo isso está repleto de grandes perdas financeiras e uma ameaça à vida humana.
Portanto, os dados tiveram que ser transmitidos:
- Confiável.
- Garantido.
- Rápido.
Agora, em vez da comunicação ponto a ponto, é utilizado um barramento estação/subestação, ou seja, LAN. E os dados são transmitidos através do protocolo GOOSE, que é descrito pela norma IEC 61850 (em IEC 61850-8-1, para ser mais preciso).
GOOSE significa General Object Oriented Substation Event, mas esta decodificação não é mais muito relevante e não carrega nenhuma carga semântica.
Como parte deste protocolo, os terminais de proteção de relé trocam mensagens GOOSE entre si.
A transição da comunicação ponto a ponto para uma LAN não mudou a abordagem. Os dados ainda precisam ser transmitidos de forma confiável, segura e rápida. Portanto, as mensagens GOOSE usam um mecanismo de transmissão de dados um tanto incomum. Mais sobre ele mais tarde.
As medições, como já discutimos, também são transmitidas por meio de fluxos multicast. Na terminologia DSP, esses fluxos são chamados de fluxos SV (valor amostrado).
Fluxos SV são mensagens que contêm um conjunto específico de dados e são transmitidas continuamente por um determinado período. Cada mensagem contém uma medição em um momento específico. As medições são feitas em uma determinada frequência – a frequência de amostragem.
A frequência de amostragem é a frequência de amostragem de um sinal contínuo no tempo ao amostra-lo.
Taxa de amostragem 80 amostras por segundo
A composição dos fluxos SV é descrita na IEC61850-9-2 LE.
Os fluxos SV são transmitidos através do barramento de processo.
O barramento de processo é uma rede de comunicação que fornece troca de dados entre dispositivos de medição e dispositivos de nível de conexão. As regras para troca de dados (valores instantâneos de corrente e tensão) estão descritas na norma IEC 61850-9-2 (atualmente é utilizado o perfil IEC 61850-9-2 LE).
Os fluxos SV, como as mensagens GOOSE, devem ser transmitidos rapidamente. Se as medições forem transmitidas lentamente, os terminais podem não receber a corrente ou tensão necessária para acionar a proteção a tempo, e o curto-circuito se espalhará por grande parte da rede elétrica e causará grandes danos.
Por que o multicast é necessário?
Conforme mencionado acima, para cobrir os requisitos de transmissão de dados para comunicação horizontal, os GOOSE são transmitidos de forma um tanto incomum.
Em primeiro lugar, eles são transmitidos no nível do link de dados e possuem seu próprio Ethertype – 0x88b8. Isso garante altas taxas de transferência de dados.
Agora é necessário fechar os requisitos de garantia e confiabilidade.
Obviamente, para ter certeza, é necessário entender se a mensagem foi entregue, mas não podemos organizar o envio de confirmações de recebimento, como, por exemplo, é feito no TCP. Isso reduzirá significativamente a velocidade de transferência de dados.
Portanto, uma arquitetura Publicador-Assinante é usada para transmitir GOOSE.
Arquitetura Editor-Assinante
O dispositivo envia uma mensagem GOOSE ao barramento e os assinantes recebem a mensagem. Além disso, a mensagem é enviada com tempo constante T0. Caso ocorra algum evento, uma nova mensagem é gerada, independentemente de o período T0 anterior ter terminado ou não. A próxima mensagem com novos dados é gerada após um período de tempo muito curto, depois de um período um pouco mais longo e assim por diante. Como resultado, o tempo aumenta para T0.
O princípio de transmissão de mensagens GOOSE
O assinante sabe de quem recebe mensagens e, se não receber mensagem de alguém após o tempo T0, gera uma mensagem de erro.
Os fluxos SV também são transmitidos no nível do link de dados, possuem seu próprio Ethertype - 0x88BA e são transmitidos de acordo com o modelo “Publisher – Subscriber”.
Nuances da transmissão multicast em uma subestação Digital
Mas o multicast de “energia” tem suas próprias nuances.
Nota 1. GOOSE e SV possuem seus próprios grupos multicast definidos
Para multicast de “energia”, são utilizados seus próprios grupos de distribuição.
Nas telecomunicações, o intervalo 224.0.0.0/4 é usado para distribuição multicast (com raras exceções, existem endereços reservados). Mas o próprio padrão IEC 61850 e o perfil corporativo IEC 61850 do PJSC FGC definem suas próprias faixas de distribuição multicast.
Para fluxos SV: de 01-0C-CD-04-00-00 a 01-0C-CD-04-FF-FF.
Para mensagens GOOSE: de 01-0C-CD-04-00-00 a 01-0C-CD-04-FF-FF.
Ponto 2. Os terminais não utilizam protocolos multicast
A segunda nuance é muito mais significativa - os terminais de proteção do relé não suportam IGMP ou PIM. Então, como eles funcionam com multicast? Eles estão simplesmente aguardando o envio das informações necessárias ao porto. Aqueles. se souberem que estão inscritos em um endereço MAC específico, aceitam todos os quadros recebidos, mas processam apenas os necessários. O resto é simplesmente descartado.
Em outras palavras, toda esperança está nos interruptores. Mas como funcionará o IGMP ou o PIM se os terminais não enviarem mensagens Join? A resposta é simples – de jeito nenhum.
E os fluxos SV são dados bastante pesados. Um fluxo pesa cerca de 5 Mbit/s. E se tudo ficar como está, acontece que cada stream será transmitido. Em outras palavras, puxaremos apenas 20 fluxos para uma LAN de 100 Mbit/s. E o número de fluxos de SV em uma grande subestação é medido na casa das centenas.
Qual é a solução então?
Simples - use VLANs antigas e comprovadas.
Além disso, o IGMP na LAN da Subestação Digital pode fazer uma piada cruel e vice-versa, nada funcionará. Afinal, os switches não começarão a transmitir fluxos sem solicitação.
Portanto, podemos destacar uma regra simples de comissionamento – “A rede não está funcionando? – Desative o IGMP!”
Base normativa
Mas talvez ainda seja possível organizar de alguma forma uma LAN para uma Subestação Digital baseada em multicast? Vamos tentar agora nos voltar para a documentação regulatória da LAN. Em particular, citarei trechos dos seguintes STOs:
- STO 34.01-21-004-2019 - CENTRO DE ENERGIA DIGITAL. REQUISITOS PARA PROJETO TECNOLÓGICO DE SUBESTAÇÕES DIGITAIS COM TENSÃO 110-220 kV E SUBESTAÇÕES DIGITAIS DE NÓ COM TENSÃO 35 kV.
- STO 34.01-6-005-2019 – INTERRUPTORES DE OBJETOS DE ENERGIA. Requisitos técnicos gerais.
- STO 56947007-29.240.10.302-2020 - Requisitos técnicos padrão para organização e atuação de LANs tecnológicas no sistema de controle de processos da subestação UNEG.
Vamos primeiro ver o que pode ser encontrado nessas estações de serviço sobre multicast? Há menção apenas no último STO do PJSC FGC UES. Durante os testes de aceitação da LAN, a estação de serviço solicita que você verifique se as VLANs estão configuradas corretamente e se não há tráfego multicast nas portas do switch que não estejam especificadas na documentação de trabalho.
Bem, a estação de serviço também prescreve que o pessoal de serviço deve saber o que é multicast.
Isso é tudo sobre multicast...
Agora vamos ver o que você pode encontrar nessas estações de serviço sobre VLANs.
Aqui, todas as três estações de serviço concordam que os switches devem suportar VLANs baseadas em IEEE 802.1Q.
STO 34.01-21-004-2019 diz que VLANs devem ser usadas para controlar fluxos e, com a ajuda de VLANs, o tráfego deve ser dividido em proteção de relé, sistemas automatizados de controle de processos, AIIS KUE, vigilância por vídeo, comunicações, etc.
Além disso, o STO 56947007-29.240.10.302-2020 também exige a preparação de um mapa de distribuição de VLAN durante o projeto. Ao mesmo tempo, a estação de serviço oferece suas gamas de endereços IP e VLANs para equipamentos DSP.
O STO também fornece uma tabela de prioridades recomendadas para diferentes VLANs.
Tabela de prioridades de VLAN recomendadas do STO 56947007-29.240.10.302-2020
Do ponto de vista do gerenciamento de fluxo, é isso. Embora ainda haja muito o que discutir nesses postos - desde várias arquiteturas até configurações L3 - com certeza faremos isso, mas da próxima vez.
Agora vamos resumir o gerenciamento de fluxo na LAN da Subestação Digital.
Conclusão
Na Subestação Digital, apesar de muitos fluxos multicast serem transmitidos, mecanismos padrão de gerenciamento de tráfego multicast (IGMP, PIM) não são realmente utilizados. Isto se deve ao fato de que os dispositivos finais não suportam nenhum protocolo multicast.
As boas e velhas VLANs são usadas para controlar fluxos. Ao mesmo tempo, o uso de VLAN é regulamentado por documentação regulatória, que oferece recomendações bastante bem desenvolvidas.
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Fonte: habr.com