數位化變電站是能源領域的趨勢。如果您接近主題，那麼您可能聽說過大量資料以組播流的形式傳輸。但你知道如何管理這些組播流嗎？使用哪些流量管理工具？監理文件有何建議？
有興趣了解這個主題的朋友歡迎來貓！
資料如何透過網路傳輸以及為什麼要管理多播流？
在直接討論數位變電站和建置 LAN 的細微差別之前，我將提供一個關於資料傳輸類型和使用多播流的資料傳輸協定的簡短教育計畫。我們將教育計劃隱藏在劇透之下。
資料傳輸類型
LAN 上的流量類型
資料傳輸有四種類型：
- 廣播——廣播。
- 單播 – 兩個裝置之間的訊息傳遞。
- 群播 – 將訊息傳送到特定的裝置群組。
- 未知單播 – 以尋找一台裝置為目標的廣播。
為了不混淆這些卡，在討論組播之前，我們先簡單討論一下其他三種類型的資料傳輸。
首先，我們要記住，在 LAN 內，設備之間的尋址是基於 MAC 位址完成的。任何傳輸的訊息都具有 SRC MAC 和 DST MAC 欄位。
SRC MAC – 來源 MAC – 發送者 MAC 位址。
DST MAC – 目標 MAC – 接收者 MAC 位址。
交換器根據這些欄位傳輸訊息。它會尋找 DST MAC，在其 MAC 位址表中找到它，然後將訊息傳送到表中列出的連接埠。他也觀看 SRC MAC。如果表中沒有這樣的MAC位址，則新增新的「MAC位址-連接埠」對。
現在讓我們更詳細地討論資料傳輸的類型。
單播
單播是兩個裝置之間訊息的位址傳輸。本質上，這是點對點的資料傳輸。換句話說，兩個設備始終使用單播來相互通訊。
單播流量傳輸
廣播
廣播是廣播訊息。那些。廣播，當一台設備向網路上的所有其他設備發送訊息時。
若要傳送廣播訊息，傳送者指定 DST MAC 位址 FF:FF:FF:FF:FF:FF。
廣播流量傳輸
未知單播
乍一看，Unknown Unicast 與 Broadcast 非常相似。但它們之間有一個區別 - 訊息發送給所有網路參與者，但僅適用於一台裝置。這就像購物中心裡要求您重新停車的消息。每個人都會聽到此訊息，但只有一個人會回覆。
當交換器收到一幀並且無法在 MAC 位址表中找到該訊框的目標 MAC 時，它只會將此訊息廣播到接收該訊框的連接埠之外的所有連接埠。只有一台設備會回應此類郵件。
未知單播流量的傳輸
組播
群播是將訊息傳送到一組「想要」接收該資料的裝置。這與網路研討會非常相似。它在整個互聯網上傳播，但只有那些對此主題感興趣的人才能連接到它。
這種資料傳輸模式稱為「發布者-訂閱者」。有一個發送資料的發布者和想要接收該資料的訂閱者訂閱該資料。
透過多播廣播，訊息是從真實設備發送的。訊框中的來源 MAC 是發送方的 MAC。但目標 MAC 是虛擬位址。
設備必須連接到該群組才能從該群組接收資料。交換器重新導向設備之間的資訊流 - 它記住資料從哪些連接埠傳輸，並知道該資料應發送到哪些連接埠。
群播流量的傳輸
重要的一點是 IP 位址通常用作虛擬群組，但由於...由於本文是關於能源的，因此我們將討論 MAC 位址。在用於數位化變電站的 IEC 61850 協定係列中，分組是基於 MAC 位址的
關於 MAC 位址的簡短教育計劃
MAC 位址是唯一識別設備的 48 位元值。它分為 6 個八位元組。前三個八位元組包含製造商資訊。八位元位元組 4、5 和 6 由製造商分配，是設備編號。
MAC位址結構
在第一個八位元組中，第八位確定訊息是單播還是多播。如果第八位元為0，那麼這個MAC位址就是真實實體設備的位址。
如果第八位元為1，則該MAC位址是虛擬的。也就是說，這個MAC位址不屬於真實的實體設備，而是屬於一個虛擬群組。
虛擬團隊可以比喻為廣播塔。廣播公司向這座塔廣播一些音樂，那些想聽音樂的人將他們的接收器調整到所需的頻率。
另外，例如，IP 攝影機將資料傳送到虛擬群組，並且那些想要接收該資料的裝置連接到該群組。
MAC 位址第一個八位元組的第八位
如果交換器上未啟用多播支持，則它將把多播流視為廣播。因此，如果存在大量此類流量，我們將很快因「垃圾」流量而堵塞網路。
組播的本質是什麼？
多播的主要想法是設備只發送一份流量副本。交換器確定訂閱者所在的連接埠並將資料從發送者傳輸到他們。因此，多播允許您顯著減少透過網路傳輸的資料。
這在真實的 LAN 上是如何運作的？
顯然，僅僅將流量的副本發送到第一個八位元組的第八位元為 1 的某個 MAC 位址是不夠的。交換器必須了解資料來自哪些連接埠以及需要傳輸到哪些連接埠。只有這樣，多播才能優化網路和管理流量。
為了實現此功能，存在多播協定。最常見的：
- IGMP。
- PIM。
在本文中，我們將切題地討論這些協議的一般工作原理。
生產管理規範
啟用 IGMP 的交換機會記住多播流到達哪個連接埠。訂閱者必須傳送 IMGP 加入訊息才能加入群組。交換器將 IGMP Join 所在的連接埠新增至下游介面清單中，並開始在那裡傳輸群組播流。交換器不斷向下游連接埠發送IGMP Query封包，檢查是否需要繼續傳輸資料。如果從連接埠收到 IGMP 離開訊息或沒有對 IGMP 查詢訊息的回應，則停止向該連接埠廣播。
PIM
PIM協定有兩種實作方式：
- PIM DM。
- PIM SM。
PIM DM 協定的運作方式與 IGMP 相反。交換器最初將多播流作為廣播傳送到除接收該流的連接埠之外的所有連接埠。然後，它會停用那些發出不需要的訊息的連接埠上的流。
PIM SM 的運作方式與 IGMP 接近。
非常粗略地總結多播操作的一般原理 - 發布者將多播流發送到特定的 MAC 群組，訂閱者發送連接到該群組的請求，交換器管理這些流。
為什麼我們如此膚淺地討論多播？讓我們談談數位化變電站區域網路的具體情況來理解這一點。
什麼是數位變電站以及為什麼需要組播？
在談論數位化變電站區域網路之前，您需要了解什麼是數位化變電站。然後回答問題：
- 誰參與資料傳輸？
- 哪些資料傳輸到 LAN？
- 典型的區域網路架構是什麼？
然後討論多播...
什麼是數位化變電站？
數位化變電站是所有系統自動化程度很高的變電站。此類變電站的所有二次和一次設備都集中於數位資料傳輸。資料交換是根據IEC 61850標準中所述的傳輸協定建構的。
因此，所有數據均在此以數位方式傳輸：
- 測量。
- 診斷資訊。
- 控制命令。
這一趨勢在俄羅斯能源領域得到了長足發展，目前正在各地實施。 2019年和2020年，出現了大量規範性文件，規範數位化變電站各個發展階段的創建。例如，STO 34.01-21-004-2019 PJSC「Rosseti」定義了中央服務站的以下定義和標準：
定義：
數位化變電站是配備數位資訊和控制系統的自動化變電站，以單次模式交互，無需常駐值班人員即可運作。
標準：
- 遠端觀察設備和系統正常運作所需的參數和運作模式，無需值班和維護操作人員持續在場；
- 為操作變電站提供設備和系統的遠端控制，而無需值班和維護操作人員持續在場；
- 使用智慧控制系統對設備和系統的運作模式進行設備和系統管理的高度自動化；
- 一次遠端控制所有製程；
- 所有技術系統之間以單一格式進行數位資料交換；
- 融入電網和企業管理系統，並確保與相關基礎設施組織（及相關設施）的數位互動；
- 技術流程數位化過程中的功能和資訊安全；
- 線上連續監控主要技術設備和系統的狀況，傳輸所需數量的數位資料、控制參數和訊號。
誰參與資料傳輸？
數位化變電站包括以下系統：
- 繼電器保護系統。 繼電器保護其實是數位化變電站的「心臟」。繼電器保護端子從測量系統取得電流和電壓值。根據這些數據，終端計算出內部保護邏輯。終端相互通訊以傳輸有關啟動的保護、開關裝置的位置等資訊。終端機還將有關已發生事件的資訊傳送到 ICS 伺服器。總的來說，可以區分幾種類型的通訊：
▸水平連接 – 終端之間的通訊。
▸垂直連接 – 與自動化過程控制系統伺服器的通訊。
▸測量 – 與測量設備的通訊。
- 商業電力計量系統。保管計量系統僅與測量設備通訊。
- 調度控制系統。部分資料應從自動化過程控制系統伺服器和商業會計伺服器發送到控制中心。
這是作為數位變電站一部分交換資料的系統的非常簡化的清單。如果您有興趣深入研究這個主題，請寫在評論中。
我們會單獨告訴你這件事😉
哪些資料傳輸到 LAN？
為了將所描述的系統彼此組合併組織水平和垂直通信以及測量的傳輸，組織了總線。現在，我們同意每條匯流排只是工業乙太網路交換器上的單獨的 LAN。
符合 IEC 61850 的電力設施框圖
框圖顯示了輪胎：
- 監測/控制。
- 繼電器保護訊號的傳輸。
- 瞬時電壓和電流的傳輸。
繼電器保護終端同時參與水平和垂直通信，也使用測量，因此它們連接到所有匯流排。
終端之間透過「繼電器保護訊號傳輸」匯流排傳輸訊息。那些。這裡實現了水平連接。
測量值的傳輸是透過「電壓和電流瞬時值傳輸」匯流排來實現的。測量設備 - 電流和電壓互感器以及繼電器保護端子 - 連接到此匯流排。
此外，ASKUE伺服器連接到「電壓和電流瞬時值傳輸」匯流排，該匯流排也進行測量以進行會計計算。
“監控”總線用於垂直通訊。那些。透過它，終端向ICS伺服器發送各種事件，伺服器也向終端發送控制命令。
資料從自動化過程控制系統伺服器傳送到控制中心。
典型的區域網路架構是什麼？
讓我們從抽象且相當傳統的結構圖轉向更平凡和真實的事物。
下圖顯示了數位化變電站相當標準的 LAN 架構。
數位化變電站架構
對於6 kV或35 kV變電站，網路會更簡單，但如果我們談論的是110 kV、220 kV及以上的變電站，以及電站的LAN，那麼架構將對應於所示的架構。
此架構分為三個層次：
- 站/變電站級別。
- 加入等級。
- 工藝水平。
站/變電站級 包括工作站和伺服器。
加入等級 包括所有技術設備。
製程級 包括測量設計。
還有兩種用於組合層級的匯流排：
- 車站/變電站巴士。
- 進程總線。
站/變電站匯流排綜合了「監控/控制」匯流排和「繼電器保護訊號傳輸」匯流排的功能。製程匯流排執行「瞬時電壓電流值傳輸」匯流排的功能。
數位化變電站組播傳輸的特點
使用組播傳輸什麼資料？
數位變電站內的水平通訊和測量資料傳輸是使用發布者-訂閱者架構進行的。那些。繼電器保護終端使用組播流在它們之間交換訊息，並且測量也使用組播傳輸。
在能源領域數位化變電站之前，橫向通訊是透過終端之間的點對點通訊來實現的。使用銅纜或光纜作為介面。數據使用專有協定傳輸。
對這種連接提出了非常高的要求，因為這些通道傳輸保護啟動、開關裝置位置等訊號。終端操作阻塞的演算法取決於此資訊。
如果資料傳輸緩慢或無法保證，則其中一個終端很可能無法接收到有關當前情況的最新信息，並可能在以下情況下發送關閉或打開開關設備的信號： ，對其進行了一些工作。否則斷路器失靈故障將無法及時起作用，短路會蔓延到電路的其餘部分。所有這一切都充滿了巨大的經濟損失和對人類生命的威脅。
因此，必須傳輸資料：
- 可靠的。
- 有保證。
- 快。
現在，不再使用點對點通信，而是使用站/變電站總線，即區域網路。資料使用 GOOSE 協定進行傳輸，該協定由 IEC 61850 標準（更準確地說是 IEC 61850-8-1）中描述。
GOOSE 代表通用物件導向變電站事件，但這種解碼不再非常相關，並且不承載任何語義負載。
作為該協議的一部分，繼電器保護終端相互交換 GOOSE 訊息。
從點對點通訊到 LAN 的轉變並沒有改變方法。資料仍然需要可靠、安全、快速地傳輸。因此，GOOSE訊息使用了一種有些不尋常的資料傳輸機制。稍後會詳細介紹他。
正如我們已經討論過的，測量結果也使用多播流進行傳輸。在 DSP 術語中，這些流稱為 SV 流（採樣值）。
SV流是包含一組特定資料並以一定週期連續傳輸的訊息。每個訊息都包含特定時間點的測量結果。測量以特定頻率（取樣頻率）進行。
取樣頻率是對時間連續訊號進行取樣時的取樣頻率。
取樣率 每秒 80 個取樣
IEC61850-9-2 LE 中描述了 SV 流的組成。
SV 流透過製程匯流排傳輸。
過程匯流排是一種在測量設備和連接級設備之間提供資料交換的通訊網路。 IEC 61850-9-2 標準中描述了交換資料（瞬時電流和電壓值）的規則（目前使用 IEC 61850-9-2 LE 設定檔）。
SV流與GOOSE訊息一樣，必須快速傳輸。如果測量資料傳輸緩慢，終端可能無法及時接收觸發保護所需的電流或電壓，短路將蔓延到電網的大部分並造成巨大的損害。
為什麼需要多播？
如上所述，為了滿足水平通訊的資料傳輸要求，GOOSE的傳輸有些不尋常。
首先，它們在資料鏈結層傳輸並有自己的乙太網路類型—0x88b8。這確保了高數據傳輸率。
現在有必要關閉保固和可靠性的要求。
顯然，可以肯定的是，有必要了解訊息是否已送達，但我們無法像 TCP 中那樣組織發送接收確認。這將顯著降低數據傳輸速度。
因此，採用發布者-訂閱者架構來傳輸GOOSE。
發布者-訂閱者架構
設備會向總線發送 GOOSE 訊息，訂閱者接收該訊息。此外，訊息以恆定時間T0發送。如果發生某個事件，則無論前一周期T0是否結束，都會產生新訊息。下一條包含新資料的訊息會在很短的時間後生成，然後在稍長的時間後生成，依此類推。結果，時間增加到T0。
GOOSE報文傳輸原理
訂閱者知道它從誰那裡接收到訊息，如果在時間 T0 之後沒有收到某人的訊息，那麼它會產生錯誤訊息。
SV 流也在資料鏈路層傳輸，有自己的乙太網路類型 - 0x88BA，並根據「發布者 - 訂閱者」模型傳輸。
數位變電站中組播傳輸的細微差別
但「能源」多播有其自身的細微差別。
註 1. GOOSE 和 SV 定義了自己的多播組
對於“能量”多播，使用它們自己的分發組。
在電信中，範圍 224.0.0.0/4 用於多播分發（除了極少數例外，有保留位址）。但 IEC 61850 標準本身和 PJSC FGC 的 IEC 61850 公司簡介定義了自己的多重播送範圍。
對於 SV 流：從 01-0C-CD-04-00-00 到 01-0C-CD-04-FF-FF。
對於 GOOSE 訊息：從 01-0C-CD-04-00-00 到 01-0C-CD-04-FF-FF。
第2點.終端不使用組播協議
第二個細微差別更為重要 - 繼電器保護終端不支援 IGMP 或 PIM。那麼它們如何與組播一起工作呢？他們只是等待必要的資訊發送到港口。那些。如果它們知道自己訂閱了特定的 MAC 位址，它們就會接受所有傳入的幀，但僅處理必要的幀。其餘的都被簡單地丟棄。
換句話說，所有的希望都寄託在開關上。但如果終端不發送Join訊息，IGMP或PIM將如何運作呢？答案很簡單——不可能。
而SV流是相當重的資料。一個流的重量約為 5 Mbit/s。如果一切保持原樣，則每個串流都會被廣播。換句話說，我們將只將 20 個串流拉到一個 100 Mbit/s LAN 上。大型變電站的SV流量可達數百個。
那有什麼辦法可以解決呢？
簡單 - 使用經過驗證的舊 VLAN。
而且，數位化變電站區域網路中的IGMP可能會開一個殘酷的玩笑，反之亦然。畢竟，交換器不會在沒有請求的情況下開始傳輸流。
因此，我們可以強調一個簡單的偵錯規則—「網路不工作了嗎？ – 禁用 IGMP！
規範基礎
但也許仍然有可能以某種方式為基於組播的數位化變電站組織一個區域網路？現在我們來看看 LAN 上的監管文件。我將特別引用以下 STO 的摘錄：
- STO 34.01-21-004-2019 - 數位電源中心。電壓110-220kV數位化變電站及電壓35kV節點數位化變電站技術設計要求。
- STO 34.01-6-005-2019 – 能源物的開關。一般技術要求。
- STO 56947007-29.240.10.302-2020 - UNEG 變電站製程控制系統中技術 LAN 的組織和性能的標準技術要求。
我們先來看看這些服務站能找到什麼關於組播的內容？僅在 PJSC FGC UES 的最新 STO 中提及。在LAN驗收測試時，服務站會要求您檢查VLAN是否配置正確，並檢查交換器連接埠中是否有工作文件中未指定的組播流量。
那麼服務站也規定服務人員必須知道什麼是組播。
這就是關於多播的全部內容...
現在讓我們看看在這些服務站中可以找到哪些有關 VLAN 的內容。
在這裡，三個服務站都同意交換器必須支援基於 IEEE 802.1Q 的 VLAN。
STO 34.01-21-004-2019表示應該使用VLAN來控制流量，並藉助VLAN將流量劃分為繼電器保護、自動化製程控制系統、AIIS KUE、視訊監控、通訊等。
此外，STO 56947007-29.240.10.302-2020也要求在設計時準備VLAN分佈圖。同時，服務站為 DSP 設備提供一系列 IP 位址和 VLAN。
STO 也提供了不同 VLAN 的建議優先順序表。
STO 56947007-29.240.10.302-2020 中建議的 VLAN 優先權表
從流量管理的角度來看，就是這樣。雖然這些服務站還有很多東西要討論——從各種架構到L3設定——我們肯定會這樣做，但下次。
下面我們來總結一下數位化變電站區域網路中的流量管理。
結論
在數位化變電站中，儘管傳輸了大量的組播流，但實際上並沒有使用標準的組播流量管理機制（IGMP、PIM）。這是因為終端設備不支援任何多播協定。
好的舊 VLAN 用來控制流量。同時，VLAN 的使用受到監管文件的監管，其中提供了相當完善的建議。
相關鏈接：
.
來源： www.habr.com
