数字化变电站是能源领域的一个趋势。 如果您接近主题，那么您可能听说过大量数据以组播流的形式传输。 但你知道如何管理这些组播流吗？ 使用哪些流量管理工具？ 监管文件有何建议？
有兴趣了解这个话题的朋友欢迎来猫！
数据如何通过网络传输以及为什么要管理多播流？
在直接讨论数字变电站和构建 LAN 的细微差别之前，我提供了一个关于数据传输类型和使用多播流的数据传输协议的简短教育计划。 我们将教育计划隐藏在剧透之下。
数据传输类型
LAN 上的流量类型
数据传输有四种类型：
- 广播——广播。
- 单播 – 两个设备之间的消息传递。
- 组播 – 将消息发送到特定的设备组。
- 未知单播 – 以查找一台设备为目标的广播。
为了不混淆这些卡，在讨论组播之前，我们先简单讨论一下其他三种类型的数据传输。
首先，我们要记住，在 LAN 内，设备之间的寻址是基于 MAC 地址完成的。 任何传输的消息都具有 SRC MAC 和 DST MAC 字段。
SRC MAC – 源 MAC – 发送者 MAC 地址。
DST MAC – 目标 MAC – 接收者 MAC 地址。
交换机根据这些字段传输消息。 它查找 DST MAC，在其 MAC 地址表中找到它，然后将消息发送到表中列出的端口。 他还观看 SRC MAC。 如果表中没有这样的MAC地址，则添加新的“MAC地址-端口”对。
现在让我们更详细地讨论数据传输的类型。
单播
单播是两个设备之间消息的地址传输。 本质上，这是点对点的数据传输。 换句话说，两个设备始终使用单播来相互通信。
单播流量传输
广播 Broadcast
广播是广播消息。 那些。 广播，当一台设备向网络上的所有其他设备发送消息时。
要发送广播消息，发送者指定 DST MAC 地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF。
广播流量传输
未知单播
乍一看，Unknown Unicast 与 Broadcast 非常相似。 但它们之间有一个区别 - 消息发送给所有网络参与者，但仅适用于一台设备。 这就像购物中心里要求您重新停车的消息。 每个人都会听到此消息，但只有一个人会回复。
当交换机收到一帧并且无法在 MAC 地址表中找到该帧的目标 MAC 时，它只会将此消息广播到除接收该帧的端口之外的所有端口。 只有一台设备会响应此类邮件。
未知单播流量的传输
多播
组播是将消息发送到一组“想要”接收该数据的设备。 这与网络研讨会非常相似。 它在整个互联网上传播，但只有那些对此主题感兴趣的人才能连接到它。
这种数据传输模型称为“发布者-订阅者”。 有一个发送数据的发布者和想要接收该数据的订阅者订阅该数据。
通过多播广播，消息是从真实设备发送的。 帧中的源 MAC 是发送方的 MAC。 但目标 MAC 是虚拟地址。
设备必须连接到该组才能从该组接收数据。 交换机重定向设备之间的信息流 - 它记住数据从哪些端口传输，并知道该数据应发送到哪些端口。
组播流量的传输
重要的一点是 IP 地址通常用作虚拟组，但由于... 由于本文是关于能源的，因此我们将讨论 MAC 地址。 在用于数字化变电站的 IEC 61850 协议系列中，分组是基于 MAC 地址的
关于 MAC 地址的简短教育计划
MAC 地址是唯一标识设备的 48 位值。 它分为 6 个八位位组。 前三个八位位组包含制造商信息。 八位字节 4、5 和 6 由制造商分配，是设备编号。
MAC地址结构
在第一个八位位组中，第八位确定消息是单播还是多播。 如果第八位为0，那么这个MAC地址就是真实物理设备的地址。
如果第八位为1，则该MAC地址是虚拟的。 也就是说，这个MAC地址不属于真实的物理设备，而是属于一个虚拟组。
虚拟团队可以比作广播塔。 广播公司向这座塔广播一些音乐，那些想听音乐的人将他们的接收器调整到所需的频率。
另外，例如，IP 摄像机将数据发送到虚拟组，并且那些想要接收该数据的设备连接到该组。
MAC 地址第一个八位字节的第八位
如果交换机上未启用多播支持，则它将把多播流视为广播。 因此，如果存在大量此类流量，我们将很快因“垃圾”流量而堵塞网络。
组播的本质是什么？
多播的主要思想是设备只发送一份流量副本。 交换机确定订阅者所在的端口并将数据从发送者传输到他们。 因此，多播允许您显着减少通过网络传输的数据。
这在真实的 LAN 上是如何工作的？
显然，仅仅将流量的一个副本发送到第一个八位字节的第八位为 1 的某个 MAC 地址是不够的。订阅者必须能够连接到该组。 交换机必须了解数据来自哪些端口以及需要传输到哪些端口。 只有这样，多播才能优化网络和管理流量。
为了实现此功能，存在多播协议。 最常见的：
- IGMP。
- PIM。
在本文中，我们将切题地讨论这些协议的一般工作原理。
生产管理规范
启用 IGMP 的交换机会记住多播流到达哪个端口。 订阅者必须发送 IMGP 加入消息才能加入组。 交换机将 IGMP Join 所在的端口添加到下游接口列表中，并开始在那里传输组播流。 交换机不断向下游端口发送IGMP Query报文，检查是否需要继续传输数据。 如果从端口收到 IGMP 离开消息或没有对 IGMP 查询消息的响应，则停止向该端口广播。
PIM
PIM协议有两种实现方式：
- PIM DM。
- PIM SM。
PIM DM 协议的运行方式与 IGMP 相反。 交换机最初将多播流作为广播发送到除接收该流的端口之外的所有端口。 然后，它会禁用那些发出不需要的消息的端口上的流。
PIM SM 的运行方式与 IGMP 接近。
非常粗略地总结多播操作的一般原理 - 发布者将多播流发送到特定的 MAC 组，订阅者发送连接到该组的请求，交换机管理这些流。
为什么我们如此肤浅地讨论多播？ 让我们谈谈数字化变电站局域网的具体情况来理解这一点。
什么是数字变电站以及为什么需要组播？
在谈论数字化变电站局域网之前，您需要了解什么是数字化变电站。 然后回答问题：
- 谁参与数据传输？
- 哪些数据传输到 LAN？
- 典型的局域网架构是什么？
然后讨论多播...
什么是数字化变电站？
数字化变电站是所有系统自动化程度很高的变电站。 此类变电站的所有二次和一次设备都集中于数字数据传输。 数据交换是根据IEC 61850标准中描述的传输协议构建的。
因此，所有数据均在此以数字方式传输：
- 测量。
- 诊断信息。
- 控制命令。
这一趋势在俄罗斯能源领域得到了长足发展，目前正在各地实施。 2019年和2020年，出现了大量规范性文件，规范数字化变电站各个发展阶段的创建。 例如，STO 34.01-21-004-2019 PJSC“Rosseti”定义了中央服务站的以下定义和标准：
定义：
数字化变电站是配备数字信息和控制系统的自动化变电站，以单次模式交互，无需常驻值班人员即可运行。
标准：
- 远程观察设备和系统正常运行所需的参数和运行模式，无需值班和维护操作人员持续在场；
- 为变电站运行提供设备和系统的远程控制，而无需值班和维护操作人员持续在场；
- 使用智能控制系统对设备和系统的运行模式进行设备和系统管理的高度自动化；
- 一次性远程控制所有工艺流程；
- 所有技术系统之间以单一格式进行数字数据交换；
- 融入电网和企业管理系统，并确保与相关基础设施组织（及相关设施）的数字交互；
- 技术流程数字化过程中的功能和信息安全；
- 通过传输所需数量的数字数据、控制参数和信号，连续监测主要技术设备和系统的状况。
谁参与数据传输？
数字化变电站包括以下系统：
- 继电保护系统。 继电保护实际上是数字化变电站的“心脏”。 继电保护端子从测量系统获取电流和电压值。 根据这些数据，终端计算出内部保护逻辑。 终端相互通信以传输有关激活的保护、开关装置的位置等信息。 终端还将有关已发生事件的信息发送到 ICS 服务器。 总的来说，可以区分几种类型的通信：
▸卧式连接 – 终端之间的通信。
▸垂直连接 – 与自动化过程控制系统服务器的通信。
▸测量 – 与测量设备的通信。
- 商业电力计量系统。保管计量系统仅与测量设备通信。
- 调度控制系统。部分数据应从自动化过程控制系统服务器和商业会计服务器发送到控制中心。
这是作为数字变电站一部分交换数据的系统的非常简化的列表。 如果您有兴趣深入研究这个主题，请写在评论中。
我们会单独告诉你这个😉
哪些数据传输到 LAN？
为了将所描述的系统彼此组合并组织水平和垂直通信以及测量的传输，组织了总线。 现在，我们同意每条总线只是工业以太网交换机上的一个单独的 LAN。
符合 IEC 61850 的电力设施框图
框图显示了轮胎：
- 监测/控制。
- 继电保护信号的传输。
- 瞬时电压和电流的传输。
继电保护终端同时参与水平和垂直通信，也使用测量，因此它们连接到所有总线。
终端之间通过“继电保护信号传输”总线传输信息。 那些。 这里实现了水平连接。
测量值的传输是通过“电压和电流瞬时值传输”总线实现的。 测量设备 - 电流和电压互感器以及继电保护端子 - 连接到该总线。
此外，ASKUE服务器连接到“电压和电流瞬时值传输”总线，该总线也进行测量以进行核算。
“监控”总线用于垂直通信。 那些。 通过它，终端向ICS服务器发送各种事件，服务器也向终端发送控制命令。
数据从自动化过程控制系统服务器发送到控制中心。
典型的局域网架构是什么？
让我们从抽象且相当传统的结构图转向更平凡和真实的事物。
下图显示了数字化变电站相当标准的 LAN 架构。
数字化变电站架构
对于6 kV或35 kV变电站，网络会更简单，但如果我们谈论的是110 kV、220 kV及以上的变电站，以及电站的LAN，那么架构将对应于所示的架构。
该架构分为三个层次：
- 站/变电站级别。
- 加入级别。
- 工艺级别。
站/变电站级 包括工作站和服务器。
加入级别 包括所有技术设备。
工艺级 包括测量设备。
还有两种用于组合级别的总线：
- 车站/变电站巴士。
- 进程总线。
站/变电站总线综合了“监测/控制”总线和“继电保护信号传输”总线的功能。 过程总线执行“瞬时电压电流值传输”总线的功能。
数字化变电站组播传输的特点
使用组播传输什么数据？
数字变电站内的水平通信和测量数据传输是使用发布者-订阅者架构进行的。 那些。 继电保护终端使用组播流在它们之间交换消息，并且测量也使用组播传输。
在能源领域数字化变电站之前，横向通信是通过终端之间的点对点通信来实现的。 使用铜缆或光缆作为接口。 数据使用专有协议传输。
对这种连接提出了非常高的要求，因为这些通道传输保护激活、开关装置位置等信号。 终端操作阻塞的算法取决于此信息。
如果数据传输缓慢或无法保证，则其中一个终端很可能无法接收到有关当前情况的最新信息，并可能在以下情况下发送关闭或打开开关设备的信号： ，对其进行了一些工作。 否则断路器失灵故障将无法及时起作用，短路会蔓延到电路的其余部分。 所有这一切都充满了巨大的经济损失和对人类生命的威胁。
因此，必须传输数据：
- 可靠的。
- 保证。
- 快。
现在，不再使用点对点通信，而是使用站/变电站总线，即局域网。 数据使用 GOOSE 协议进行传输，该协议由 IEC 61850 标准（更准确地说是 IEC 61850-8-1）中描述。
GOOSE 代表通用面向对象变电站事件，但这种解码不再非常相关，并且不承载任何语义负载。
作为该协议的一部分，继电保护终端相互交换 GOOSE 消息。
从点对点通信到 LAN 的转变并没有改变方法。 数据仍然需要可靠、安全、快速地传输。 因此，GOOSE消息使用了一种有些不寻常的数据传输机制。 稍后会详细介绍他。
正如我们已经讨论过的，测量结果也使用多播流进行传输。 在 DSP 术语中，这些流称为 SV 流（采样值）。
SV流是包含一组特定数据并以一定周期连续传输的消息。 每条消息都包含特定时间点的测量结果。 测量以特定频率（采样频率）进行。
采样频率是对时间连续信号进行采样时的采样频率。
采样率 每秒 80 个样本
IEC61850-9-2 LE 中描述了 SV 流的组成。
SV 流通过过程总线传输。
过程总线是一种在测量设备和连接级设备之间提供数据交换的通信网络。 IEC 61850-9-2 标准中描述了交换数据（瞬时电流和电压值）的规则（目前使用 IEC 61850-9-2 LE 配置文件）。
SV流与GOOSE消息一样，必须快速传输。 如果测量数据传输缓慢，终端可能无法及时接收到触发保护所需的电流或电压，短路将蔓延到电网的大部分并造成巨大的损害。
为什么需要多播？
如上所述，为了满足水平通信的数据传输要求，GOOSE的传输有些不寻常。
首先，它们在数据链路层传输并有自己的以太网类型——0x88b8。 这确保了高数据传输率。
现在有必要关闭保修和可靠性的要求。
显然，可以肯定的是，有必要了解消息是否已送达，但我们无法像 TCP 中那样组织发送接收确认。 这将显着降低数据传输速度。
因此，采用发布者-订阅者架构来传输GOOSE。
发布者-订阅者架构
设备向总线发送 GOOSE 消息，订阅者接收该消息。 此外，消息以恒定时间T0发送。 如果发生某个事件，则无论前一周期T0是否结束，都会生成新消息。 下一条包含新数据的消息会在很短的时间后生成，然后在稍长的时间后生成，依此类推。 结果，时间增加到T0。
GOOSE报文传输原理
订阅者知道它从谁那里接收到消息，如果在时间 T0 之后没有收到来自某人的消息，那么它会生成一条错误消息。
SV 流也在数据链路层传输，有自己的以太网类型 - 0x88BA，并根据“发布者 - 订阅者”模型传输。
数字变电站中组播传输的细微差别
但“能源”多播有其自身的细微差别。
注 1. GOOSE 和 SV 定义了自己的多播组
对于“能量”多播，使用它们自己的分发组。
在电信中，范围 224.0.0.0/4 用于多播分发（除了极少数例外，有保留地址）。 但 IEC 61850 标准本身和 PJSC FGC 的 IEC 61850 公司简介定义了自己的多播分发范围。
对于 SV 流：从 01-0C-CD-04-00-00 到 01-0C-CD-04-FF-FF。
对于 GOOSE 消息：从 01-0C-CD-04-00-00 到 01-0C-CD-04-FF-FF。
第2点.终端不使用组播协议
第二个细微差别更为重要 - 继电保护终端不支持 IGMP 或 PIM。 那么它们如何与组播一起工作呢？ 他们只是等待必要的信息发送到港口。 那些。 如果它们知道自己订阅了特定的 MAC 地址，它们就会接受所有传入的帧，但仅处理必要的帧。 其余的都被简单地丢弃。
换句话说，所有的希望都寄托在开关上。 但如果终端不发送Join消息，IGMP或PIM将如何工作呢？ 答案很简单——不可能。
而SV流是相当重的数据。 一个流的重量约为 5 Mbit/s。 如果一切保持原样，则每个流都会被广播。 换句话说，我们将仅将 20 个流拉到一个 100 Mbit/s LAN 上。 大型变电站的SV 流量可达数百个。
那有什么解决办法呢？
简单 - 使用经过验证的旧 VLAN。
而且，数字化变电站局域网中的IGMP可能会开一个残酷的玩笑，反之亦然。 毕竟，交换机不会在没有请求的情况下开始传输流。
因此，我们可以强调一个简单的调试规则——“网络不工作了吗？ – 禁用 IGMP！”
规范基础
但也许仍然有可能以某种方式为基于组播的数字化变电站组织一个局域网？ 现在我们来看看 LAN 上的监管文档。 我将特别引用以下 STO 的摘录：
- STO 34.01-21-004-2019 - 数字电源中心。 电压110-220kV数字化变电站和电压35kV节点数字化变电站技术设计要求。
- STO 34.01-6-005-2019 – 能源物体的开关。 一般技术要求。
- STO 56947007-29.240.10.302-2020 - UNEG 变电站过程控制系统中技术 LAN 的组织和性能的标准技术要求。
我们先看看这些服务站能找到什么关于组播的内容？ 仅在 PJSC FGC UES 的最新 STO 中提及。 在LAN验收测试时，服务站会要求您检查VLAN是否配置正确，并检查交换机端口中是否有工作文档中未指定的组播流量。
那么服务站也规定服务人员必须知道什么是组播。
这就是关于多播的全部内容...
现在让我们看看在这些服务站中可以找到哪些有关 VLAN 的内容。
在这里，三个服务站都同意交换机必须支持基于 IEEE 802.1Q 的 VLAN。
STO 34.01-21-004-2019表示应该使用VLAN来控制流量，并借助VLAN将流量划分为继电保护、自动化过程控制系统、AIIS KUE、视频监控、通信等。
此外，STO 56947007-29.240.10.302-2020还要求在设计时准备VLAN分布图。 同时，服务站为 DSP 设备提供一系列 IP 地址和 VLAN。
STO 还提供了针对不同 VLAN 的建议优先级表。
STO 56947007-29.240.10.302-2020 中建议的 VLAN 优先级表
从流量管理的角度来看，就是这样。 虽然这些服务站还有很多东西需要讨论——从各种架构到L3设置——我们肯定会这样做，但下次。
下面我们来总结一下数字化变电站局域网中的流量管理。
结论
在数字化变电站中，尽管传输了大量的组播流，但实际上并没有使用标准的组播流量管理机制（IGMP、PIM）。 这是因为终端设备不支持任何多播协议。
好的旧 VLAN 用于控制流量。 同时，VLAN 的使用受到监管文件的监管，其中提供了相当完善的建议。
相关链接：
.
来源： habr.com