Шина процесса и шина станции что это
Перейти к содержимому

Шина процесса и шина станции что это

  • автор:

Шина процесса и шина станции что это

Компания «РТСофт» при разработке и создании цифровых подстанций исходит из принципа, что цифровая подстанция — это не отдельный класс объектов автоматизации, а эволюция классической схемы построения АСУТП. В рамках этого принципа мы используем имеющийся большой опыт построения классических АСУТП для получения наилучшего баланса между надежностью и стоимости системы.

АСУТП цифровых подстанций создаются на базе программно-технического комплекса SMART-SPRECON.

Главными отличительными принципами построения цифровой подстанции являются:

  • применение единого протокола передачи информации между компонентами;
  • построение автоматизированных систем с применением объектно-ориентированного подхода;
  • переход от взаимодействия между компонентами ПС аналоговыми/дискретными сигналами к передаче всей информации по цифровым каналам.

И если первые два принципа закрываются полным переходом на протокол передачи данных в стандарте МЭК 61850 с описанием объекта и сигналов на языке SCL стандарта МЭК 61850-6, то последний требует применения оборудования в нетипичной для классической схемы среде функционирования и использования ранее не применявшегося протокола передачи данных.

В ЦПС оборудование АСУТП, выполняющее функции ввода-вывода дискретных сигналов и контроля прямого ввода ТТ и ТН, выносится из помещений и устанавливается в непосредственной близости первичного оборудования.

Контроллеры SPRECON-E-C, выполняющие функции преобразователей дискретных сигналов, а также преобразователи аналоговых сигналов размещаются в уличных шкафах специального исполнения, предназначенных для работы в широком температурном диапазоне и в сложной электромагнитной обстановке.

Полевой уровень включает:

Уличные шкафы с оборудованием:

  • преобразователи дискретных сигналов (ПДС) на базе контроллера SPRECON-E-C;
  • преобразователи аналоговых сигналов (ПАС) на базе партнерских решений с поддержкой протокола передачи данных стандарта МЭК 61850-9-2.

Оборудование для ячеек низкого класса напряжения:

  • терминал РЗА с функциями контроллера ячейки на базе SPRECON-E-P (рис. 1);
  • преобразователи аналоговых сигналов на базе партнерских решений с поддержкой протокола передачи данных стандарта МЭК 61850-9-2 (для ячеек вводов автотрансформатора и секционных выключателей);
  • многофункциональные измерительные преобразователи (для ячеек отходящих линий).

Уровень присоединения включает следующее оборудование:

  • контроллеры присоединений на базе контроллера SPRECON-E-C;
  • терминалы РЗА на базе SPRECON-E-P.

Подстанционный уровень включает следующие компоненты:

  • станционные контроллеры связи и управления на базе контроллера SPRECON-E-C;
  • серверы АСУТП с ПО SCADA V460;
  • стационарные и переносные АРМ с ПО SCADA SPRECON-V460;
  • оборудование системы единого времени с поддержкой протоколов синхронизации времени PTP и NTP;
  • оборудование системы гарантированного питания.

7.png

Рис. 1. Терминал РЗА с функциями контроллера ячейки

Основным протоколом передачи данных являются протоколы стандарта МЭК 61850. С полевого уровня на уровень присоединений ПАС передают данные в протоколе Sampled Values стандарта МЭК 61850-9-2 контроллерам присоединений и терминалам РЗА, а ПДС SPRECON-E-C – в протоколе GOOSE стандарта МЭК 61850-8-1. Контроллеры присоединений SPRECON-E-C передают данные в станционные контроллеры в протоколе MMS стандарта МЭК 61850-8-1.

Локальная вычислительная сеть ПТК АСУ ТП состоит из станционной шины и шины процесса. Шина процесса отличается применением в ней передачи данных в протоколах Sampled Values и GOOSE и применением коммутаторов с поддержкой протокола синхронизации времени PTP, обеспечивающего точность синхронизации до 10 нс.

ЛВС строится на основе кольцевой топологии с использованием технологии резервирования RSTP с восстановлением в случае однократного отказа. Для повышения надежности используется протокол параллельного резервирования PRP, обеспечивающий бесшовное резервирование и реализуемое на конечных устройствах.

Все компоненты ПТК SMART-SPRECON поддерживают работу в ЛВС с протоколом резервирования PRP и синхронизацию времени по протоколу PTP.

Шина процесса и шина станции что это

Эталонная система автоматизации подстанции

Стандарт МЭК 61850 «Сети и системы связи на подстанциях» описывает эталонную систему автоматизации энергетической подстанции. Он включает себя описания технологий передачи данных по сетям связи Ethernet, требования к системам управления, а также требования к физическому исполнению коммуникационных устройств.

Автоматизация подстанции – это процесс объединения существующих устройств подстанции в новую сетевую инфраструктуру, связывая различные устройства для сбора данных, управления и записи событий, в автоматизированную сеть связи, практически не требующую вмешательства человека.

Подстанции, соответствующие стандарту МЭК 61850-3 принято делить на три логических уровня: уровень станции, присоединения и процесса.

  • На уровне станции происходит протоколирование нарушений работы, защита шин, определение последовательности действий, а также архивация данных, диспетчерский контроль и синхронизация времени.
  • На уровне присоединений осуществляется релейная защита и мониторинг линий, протоколирование нарушений (сбор данных), работает локальная противоаварийная автоматика.
  • На уровне процессов осуществляется сбор данных, протоколирование нарушений и выдача команд управления.

Уровень процесса подстанции связан со сбором таких данных, как данные о состоянии, параметры тока и напряжения. Эти данные получают с трансформаторов и преобразователей, установленных на первичном оборудовании энергосистемы, выполняющей передачу электроэнергии.

На уровне процесса данные с оптических/электронных датчиков напряжения и тока, а также данные состояния собираются и в цифровом виде преобразуются объединяющими микропроцессорными устройствами (MU).


Сети связи, обеспечивающие обмен данными между уровнями подстанции принято называть коммуникационными шинами:

  • Шина процесса – информационная сеть, по которой осуществляется мгновенный обмен информацией от трансформаторов тока и напряжения между уровнем присоединения и уровнем процесса, а также обмен информацией управления между этими уровнями.
  • Шина станции – информационная сеть, по которой осуществляется обмен информацией, относящейся к защите и управлению внутри уровня присоединения, а также между уровнем присоединения и станции.

Протоколы передачи данных на подстанциях МЭК 61850

Стандартом определены основные протоколы обмена данными на подстанции:

  • MMS (Manufacturing Message Specification) – для мониторинга состояния подстанции, все устройства в системе обмениваются сообщениями формата MMS.
  • GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events) – сообщения передают критически важные данные
  • SMV (Sampled Measured Values) – данные от измерительных систем передаются по локальной сети используя протокол SMV

Требования к сетевым устройствам подстанции

Минимальные требования к исполнению сетевых устройств по МЭК 61850-3:

  • Защита от электромагнитных помех не ниже уровня 4 стандартов МЭК 61000
  • Температура работы устройств от -40 до +75 °C
  • Устойчивость к вибрациям и ударам
  • Резервированное питание

Требования к надежности работы систем подстанции:

  • Синхронизация времени на всех устройствах
  • Устойчивость к единичным отказам
  • Передача данных без потерь
  • Приоритетная доставка трафика GOOSE, SV, MMS

Коммуникационное оборудование Moxa для энергетических подстанций

Для построения сетей связи на интеллектуальных подстанциях компания Moxa выпускает Ethernet-коммутаторы серии PowerTrans (PT). Оборудование MOXA сертифицировано по стандартам IEС 61850 и IEEE1613 и отвечает всем требованиям по производительности, надежности и электромагнитной совместимости, предъявляемым к системам автоматизации объектов электроэнергетики.

Технологии, позволяющие коммутаторам Moxa построить эффективную систему на подстанции:

Надежность:

Производительность:

Управляемость:

В коммутаторах двумя самыми уязвимыми местами являются блок питания и оптические порты, именно поэтому разработчики уделяют важную роль возможности мониторинга этих компонентов. Так коммутаторы Moxa оснащены функциями Dying Gasp и Fiber Check.

Dying Gasp – Оповещение о потере питания

Коммутаторы Moxa имеют резервированные блоки питания для повышения отказоустойчивости. Кроме того, когда потребляемая мощность модуля питания ниже порога работоспособности системы, активируется функция Dying Gasp и коммутатор отправляет оповещение о потере питания оператору по Syslog или SNMP.

Оборудование, поддерживающее Dying Gasp — коммутаторы PT-G7728 и PT-G7828

Fiber Check — Диагностика оптических портов ST/SC или SFP

Коммутаторы Moxa обладают возможностью отслеживать состояние оптических портов и сигнализировать об ухудшениях характеристик сигналов. Данный инструмент позволяет вовремя реагировать на изменения качества связи и предотвращать потерю данных из-за возможной деградации характеристик оптического передатчика или износа оптической линии.

В IT-системах распространена технология DDM (Digital Diagnostics Monitoring) — функция цифрового контроля параметров производительности SFP трансивера. Технология FiberCheck является усовершенствованием технологии DDM.

Обе технологии, Fiber Check и DDM, позволяют производить мониторинг оптических параметров: температура трансмиттера, рабочее напряжение и мощность приемопередатчика Tx/Rx. А также осуществлять оповещение: по протоколу SNMP или MMS в систему управления, по Email, с помощью реле или осуществление записи в журнал событий.

В отличии от DDM, технология Fiber Check кроме текущих значений оптических параметров также показывает и эталонные, что упрощает контроль за линией.

Оборудование, поддерживающее Fiber Check — коммутаторы серий PT-7528, PT-G7728/7828

Оборудование, поддерживающее DDM — коммутаторы серии PT-G503, PT-7728/PT-7828

GOOSE Check – мониторинг GOOSE сообщений

Очень важно своевременно и быстро реагировать на потери или появление новых GOOSE пакетов на энергетических объектах. Для этой задачи используются отдельные специализированные анализаторы GOOSE, но компания Moxa разработала вспомогательный инструмент GOOSE Check, встроенный в коммутатор. Данная функция позволяет отслеживать такие параметры GOOSE сообщений как текущий статус, APPID, MAC-адрес получателя, Имя IED, VLAN ID. При пропадании сообщения из сети, ошибке в контрольной сумме или при появлении сообщения от нового источника выдается соответствующее изменение статуса.

Данный инструмент не заменяет полноценный анализатор GOOSE сообщений, но облегчает процедуру наладки оборудования на энергетических объектах.

Подробнее о GOOSE Check читайте в нашей статье Функция мониторинга GOOSE-сообщений.

Оборудование, поддерживающее GOOSE Check — коммутаторы PT-G7728 и PT-G7828

Протоколы PRP/HSR – Бесшовное резервирование сети

В критически важных системах нельзя допускать прерывания связи даже на миллисекунды, так как этого времени будет достаточно, чтобы серьезно повлиять на работу системы или поставить под угрозу безопасность персонала.

В стандарте МЭК 61850 указано, что на подстанциях не должна присутствовать потеря пакетов типа GOOSE и SMV, то есть при построении избыточных топологий связи необходимо организовывать нулевое время переключения между каналами связи. Технологии PRP/HSR, способные осуществить бесшовную передачу данных и обеспечить требуемую надежность развертываемой сети, описаны в стандарте МЭК 62439.

  • PRP (Parallel Redundancy Protocol) – протокол параллельного резервирования

При использовании PRP строятся две независимые сети, по которым передаются две копии каждого пакета данных.

  • HSR (High-availability Seamless Redundancy) – протокол резервирования по кольцевому соединению

HSR используют в кольцевых топологиях. Каждый передаваемый кадр дублируется и передается в обоих направления кольца HSR.

Подробнее о технологиях PRP и HSR — в нашей статье по ссылке.

Поддерживаемое оборудование: коммутаторы PT-G503 и PT-G7728 (с установленным модулем LM-7000H-2GPHR), встраиваемый коммуникационный модуль EOM-G103-PHR-PTP и компьютеры серии DA-820С и серии DA-682C (с установленными модулями DA-PRP-HSR-I210 и DN-PRP-HSR-I210).

IEC 61850 QoS – Приоритезация трафика

QoS (Quality of Service) – технология позволяющая устанавливать приоритет в обслуживании разного типа трафика. Распределение трафика осуществляется на основании тэгов, которыми маркируется весь трафик, и портов.

IEC 61850 QoS гарантирует доставку критически важных пакетов с наивысшим приоритетом. Сетевые пакеты стандарта IEC 61850 помещаются в отдельную очередь и передаются вне очередей остального трафика.

Коммуникационным пакетам могут быть назначены разные приоритеты, в зависимости от их важности. Выявление приоритета осуществляется на основании типа трафика.

Тип пакетов в очереди МЭК 61850: GOOSE и SMV

Уровень приоритета пакетов внутри очереди МЭК 61850: High, Medium, Normal, Low

Подробная информация по технологии QoS — в статье QoS – Приоритезация трафика

Поддерживаемое оборудование: коммутаторы серий PT-7528, PT-7728/PT-7828, PT-G7728/7828.

IEEE 1588 v2 – Синхронизация времени

Синхронизация времени на подстанциях необходима для обеспечения точности измерительных систем и систем управления. В подобных системах недостаточно общепринятых в IT-системах протоколов синхронизации NPT и SNPT.

Стандарт IEEE 1588 v2 разработан специально для промышленных сетей и описывает протокол точного времени PTP (Precision Time Protocol). PTP предназначен для использования в локальных сетях и гарантирует высокую точность синхронизации.

Протокол синхронизации

Точность

Соответствие требованиям
шины станции МЭК 61850
(1 мс)

Соответствие требованиям
шины процесса МЭК 61850
(1 мкс)

МЭК 61850-90-4 – Интеграция с энергетическими SCADA-системами

В стандарте МЭК 61850-90-4 описывается система управлением устройствами МЭК 61850, которые используют протокол MMS для обмена данными. Для того, чтобы централизованно управлять сетями передачи данных и подключенным энергетическим оборудованием необходимо, чтобы коммуникационное оборудование также поддерживало протокол MMS и могло быть интегрировано в единую Power SCADA-систему.

В серии коммутаторов Moxa Power Trans реализована возможность мониторинга и управления по протоколу MMS. За счет этого повышается эффективность управления всем оборудованием на подстанциях, а также уменьшаются затраты на развертывание и обслуживание системы.

Преимущества использования MMS:

  • Мониторинг и управление IED устройствами, коммутаторами, встраиваемыми компьютерами и другими устройствами с единой системы Power SCADA
  • Построение сетевой иерархии всей системы
  • Составление отчетов и настройка оповещения

Поддерживаемое оборудование: Коммутаторы серий PT-G503, PT-7528, PT-7728, PT-G7728/7828.

Кроме того, компания Moxa выпускает собственное программное обеспечение MXview One, которое позволяет в режиме реального времени наблюдать за состоянием сетевой инфраструктуры объектов по протоколам SNMP, IGMP и LLDP. С помощью данного ПО можно видеть топологию сети с адресацией и используемыми портами, основные и резервные каналы в резервируемой топологии, загруженность каналов, настройки VLAN и функций безопасности, а также мгновенно получать сообщения о событиях в сети. Дополнительный модуль MXview One POWER предоставляет пользователям расширенные функции для энергетических подстанций: визуализацию PRP/HSR топологий, GOOSE потоков, проходящих в сети, и идентификацию связанных IED-устройств по протоколу MMS.

Технология VLAN – Эффективная передача данных

Технология c (Virtual Local Area Network) позволяет разделить общую сеть подстанции на функциональные группы, обмен данными между которыми будет ограничен. Это обеспечит более эффективную и надежную связь на всем объекте.

  • Снижение нагрузки на магистральных портах

Настройка сетевых устройств для управления пропускной способностью магистральных портов

Разделение потока данных между функциональными группами, а также ограничение доступа к устройствам.

  • Снижение нагрузки на подключенные устройства

Разделение широковещательных доменов приводит к тому, что уменьшается количество данных, которое необходимо обрабатывать конечным устройствам.

Поддерживаемое оборудование: Все управляемые коммутаторы Moxa

Подробнее о технологии VLAN и ее настройке — в нашей статье Технология VLAN

Как управлять потоками в ЛВС Цифровой Подстанции?

Цифровая Подстанция – это тренд в энергетике. Если Вы близки к теме, то наверняка слышали, что большой объем данных передается в виде multicast-потоков. Но знаете ли Вы, как этими multicast-потоками управлять? Какие инструменты управления потоками применяются? Что советует нормативная документация?

Всем, кому интересно разобраться в этой теме, – welcome под кат!

Как данные передаются в сети и зачем управлять multicast-потоками?

Прежде чем переходить непосредственно к Цифровой Подстанции и нюансам построения ЛВС, предлагаю краткий ликбез по типам передачи данных и протоколам передачи данных для работы с multicast-потоками. Ликбез мы спрятали под спойлер.

Типы передачи данных

Типы траффика в ЛВС

Существует четыре типа передачи данных:

  • Broadcast – широковещательная рассылка.
  • Unicast – обмен сообщениями между двумя устройствами.
  • Multicast – рассылка сообщений на определенную группу устройств.
  • Unknown Unicast – широковещательная рассылка с целью найти одно устройство.

Прежде всего, давайте вспомним, что внутри ЛВС адресация между устройствами выполняется на основе MAC-адресов. В любом передаваемом сообщении есть поля SRC MAC и DST MAC.

SRC MAC – source MAC – MAC-адрес отправителя.

DST MAC – destination MAC – MAC-адрес получателя.

Коммутатор на основании этих полей передает сообщения. Он смотрит DST MAC, находит его в своей таблице MAC-адресов и отправляет сообщение на тот порт, который указан в таблице. Также он смотрит и SRC MAC. Если такого MAC-адреса в таблице нет, то добавляется новая пара «MAC-адрес – порт».

Теперь давайте поговорим подробнее про типы передачи данных.

Unicast

Unicast – это адресная передача сообщений между двумя устройствами. По сути, это передача данных точка-точка. Другими словами, два устройства для общения друг с другом всегда используют Unicast.

Передача Unicast-трафика

Broadcast

Broadcast – это широковещательная рассылка. Т.е. рассылка, когда одно устройство отправляет сообщение всем остальным устройствам в сети.

Чтобы отправить широковещательное сообщение, отправитель в качестве DST MAC указывает адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF.

Передача Broadcast-трафика

Unknown Unicast

Unknown Unicast, на первый взгляд, очень похож на Broadcast. Но разница между ними есть — сообщение рассылается всем участникам сети, но предназначено только одному устройству. Это как сообщение в торговом центре с просьбой перепарковать авто. Услышат это сообщение все, но откликнется только один.

Когда коммутатор принимает фрейм и не может найти Destination MAC из него в таблице MAC-адресов, то он просто рассылает это сообщение во все порты, кроме того, с которого принял его. На подобную рассылку ответит только одно устройство.

Передача Unknown Unicast-трафика

Multicast

Multicast – это рассылка сообщения на группу устройств, которые «хотят» получать эти данные. Это очень похоже на вебинар. Он транслируется на весь Интернет, но подключаются к нему только те люди, которым данная тематика интересна.

Такая модель передачи данных называется «Издатель — Подписчик». Есть один Издатель, который отправляет данные и Подписчики, которые эти данные хотят получать – подписываются на них.

При multicast-рассылке сообщение отправляется с реального устройства. В качестве Source MAC в фрейме указывается MAC отправителя. А вот в качестве Destination MAC — виртуальный адрес.

Устройство должно подключиться к группе, чтобы получать данные из нее. Коммутатор перенаправляет информационные потоки между устройствами – он запоминает, с каких портов данные передаются, и знает, на какие порты эти данные нужно отправлять.

Передача Multicast-трафика

Важный момент, что в качестве виртуальных групп чаще используются IP-адреса, но т.к. в разрезе данной статьи речь идет об энергетике, то мы будем говорить про MAC-адреса. В протоколах семейства МЭК 61850, которые используются для Цифровой Подстанции, разделение на группы производится на основе MAC-адресов

Краткий ликбез про MAC-адрес

MAC-адрес – это 48-битное значение, которое уникально идентифицирует устройство. Он разбит на 6 октет. Первые три октета содержат информацию о производителе. 4, 5 и 6 октеты назначаются производителем и являются номером устройства.

Структура MAC-адреса

В первом октете восьмой бит отвечает за то, является ли данное сообщение unicast или multicast. Если восьмой бит равен 0, то данный MAC-адрес – это адрес реального физического устройства.

А если восьмой бит равен 1, то этот MAC-адрес виртуальный. То есть, этот MAC-адрес принадлежит не реальному физическому устройству, а виртуальной группе.

Виртуальную группу можно сравнить с вышкой радиовещания. Радиокомпания транслирует на эту вышку какую-то музыку, а те, кому хочется ее послушать, – настраивают приемники на нужную частоту.

Также, например, IP-видеокамера отправляет данные в виртуальную группу, а те устройства, которые хотят эти данные получать, подключаются к этой группе.

Восьмой бит первого октета MAC-адреса

Если на коммутаторе не включена поддержка multicast, то он будет multicast-поток воспринимать как широковещательную рассылку. Соответственно, если таких потоков будет много, то мы очень быстро забьем сеть «мусорным» трафиком.

В чем суть multicast?

Основная идея multicast — с устройства отправляется только одна копия трафика. Коммутатор определяет, на каких портах находятся подписчики, и передает на них данные от отправителя. Тем самым, multicast позволяет значительно сократить данные, передаваемые через сеть.

Как это работает в реальной ЛВС?

Понятно, что недостаточно просто отправлять одну копию трафика на какой-то MAC-адрес, восьмой бит первого октета которого равен 1. Подписчики должны уметь подключаться к этой группе. А коммутаторы должны понимать, с каких портов данные приходят, и на какие порты их необходимо передавать. Только тогда multicast позволит оптимизировать сети и управлять потоками.

Для реализации этого функционала существуют multicast-протоколы. Наиболее распространенные:

  • IGMP.
  • PIM.
IGMP

Коммутатор с поддержкой IGMP запоминает, на какой порт приходит multicast-поток. Подписчики должны отправить IMGP Join сообщение для подключения к группе. Коммутатор добавляет порт, с которого пришел IGMP Join, в список нисходящих интерфейсов и начинает передавать multicast-поток туда. Коммутатор постоянно посылает IGMP Query сообщения на нисходящие порты, чтобы проверить, нужно ли продолжать передавать данные. Если с порта пришло сообщение IGMP Leave или не было ответа на сообщение IGMP Query, то вещание на него прекращается.

PIM

У протокола PIM есть две реализации:

  • PIM DM.
  • PIM SM.

PIM SM по принципу работы близко к IGMP.

Если очень грубо обобщить общий принцип работы multicast – Издатель отправляет multicast-поток на определенную MAC-группу, подписчики отправляют запросы на подключение к этой группе, коммутаторы управляют данными потоками.

Почему мы настолько поверхностно прошлись по multicast? Давайте поговорим про специфику ЛВС Цифровой Подстанции, чтобы понять это.

UPD: Протоколы IGMP и PIM — это протоколы сетевого уровня и они работают с IP-адресами. При передаче данных IP-группа транслируется в MAC-адрес. Подробнее про это можно посмотреть, например, здесь. Есть протоколы, которые используют только MAC-адреса для рассылки (подробнее).

Что такое Цифровая Подстанция и зачем там нужен multicast?

Прежде, чем заговорить про ЛВС Цифровой Подстанции, нужно разобраться, что такое Цифровая Подстанция. Потом ответить на вопросы:

  • Кто участвует в передаче данных?
  • Какие данные передаются в ЛВС?
  • Какая типовая архитектура ЛВС?
Что такое Цифровая Подстанция?

Цифровая Подстанция – это подстанция, все системы которой имеют очень высокий уровень автоматизации. Все вторичное и первичное оборудование такой подстанции ориентировано на цифровую передачу данных. Обмен данными выстраивается в соответствии с протоколами передачи, описанными в стандарте МЭК 61850.

Соответственно, в цифровом виде здесь передаются все данные:

  • Измерения.
  • Диагностическая информация.
  • Команды управления.

Определение:

Цифровая подстанция — автоматизированная подстанция, оснащенная взаимодействующими в режиме единого времени цифровыми информационными и управляющими системами и функционирующая без присутствия постоянного дежурного персонала.

  • дистанционная наблюдаемость параметров и режимов работы оборудования и систем, необходимых для нормального функционирования без постоянного присутствия дежурного и обслуживающего эксплуатационного персонала;
  • обеспечение телеуправления оборудованием и системами для эксплуатации ПС без постоянного присутствия дежурного и обслуживающего эксплуатационного персонала;
  • высокий уровень автоматизации управления оборудованием и системами с применением интеллектуальных систем управления режимами работы оборудования и систем;
  • дистанционная управляемость всеми технологическими процессами в режиме единого времени;
  • цифровой обмен данными между всеми технологическими системами в едином формате;
  • интегрированность в систему управления электрической сетью и предприятием, а также обеспечение цифрового взаимодействия с соответствующими инфраструктурными организациями (со смежными объектами);
  • функциональная и информационная безопасность при цифровизации технологических процессов;
  • непрерывный мониторинг состояния основного технологического оборудования и систем в режиме онлайн с передачей необходимого объема цифровых данных, контролируемых параметров и сигналов.
Кто участвует в передаче данных?

В составе Цифровой Подстанции есть следующие системы:

  • Системы релейной защиты. Релейная защита – это практически «сердце» Цифровой Подстанции. Терминалы релейной защиты из систем измерения берут значения тока и напряжения. На основе этих данных терминалы отрабатывают внутреннюю логику защит. Терминалы общаются между собой, чтобы передавать информацию о сработанных защитах, о положениях коммутационных аппаратов и т.д. Также терминалы отправляют информацию о произошедших событиях на сервер АСУ ТП. Итого, можно выделить несколько типов связи:
    Горизонтальная связь – общение терминалов между собой.
    Вертикальная связь – общение с сервером АСУ ТП.
    Измерения – общение с измерительными устройствами.
  • Системы коммерческого учета электроэнергии.Системы коммерческого учета общаются только с измерительными устройствами.
  • Системы диспетчерского управления.С сервера АСУ ТП и с сервера коммерческого учета данные частично должны отправляться в диспетчерский пункт.

Какие данные передаются в ЛВС?

Чтобы объединить описанные системы между собой и организовать горизонтальную и вертикальную связь, а также передачу измерений организуются шины. Пока давайте договоримся, что каждая шина – это просто отдельная ЛВС на промышленных Ethernet-коммутаторах.

Структурная схема электроэнергетического объекта в соответствии с МЭК 61850

На структурной схеме изображены шины:

  • Мониторинг/Управления.
  • Передача сигналов РЗА.
  • Передача мгновенных значений напряжений и токов.

Через шину «Передача сигналов РЗА» терминалы передают информацию между собой. Т.е. здесь реализована горизонтальная связь.

Через шину «Передача мгновенных значений напряжений и токов» реализована передача измерений. К этой шине подключаются устройства измерения – трансформаторы тока и напряжения, а также терминалы релейной защиты.

Также к шине «Передача мгновенных значений напряжений и токов» подключается сервер АСКУЭ, который также забирает к себе измерения для учета.

А шина «Мониторинг/Управление» служит для вертикальной связи. Т.е. через нее терминалы отправляют на сервер АСУ ТП различные события, а также сервер посылает управляющие команды на терминалы.

С сервера АСУ ТП данные отправляются в диспетчерский пункт.

Какая типовая архитектура ЛВС?

Перейдем от абстрактной и достаточно условной структурной схемы к более приземленным и реальным вещам.

На схеме ниже изображена достаточно стандартная архитектура ЛВС для Цифровой Подстанции.

Архитектура Цифровой Подстанции

На подстанциях 6 кВ или 35 кВ сеть будет попроще, но если мы говорим про подстанции 110 кВ, 220 кВ и выше, а также про ЛВС электрических станций, то архитектура будет соответствовать изображенной.

Архитектура разбита на три уровня:

  • Уровень станции/подстанции.
  • Уровень присоединения.
  • Уровень процесса.

Уровень присоединения включает в себя все технологическое оборудование.

Уровень процесса включает в себя измерительное оборудование.

Также есть две шины для объединения уровней:

  • Шина станции/подстанции.
  • Шина процесса.
Особенности передачи Multicast в Цифровой Подстанции

Какие данные передаются с помощью multicast?

Горизонтальная связь и передача измерений в рамках Цифровой Подстанции выполняется с помощью архитектуры «Издатель-Подписчик». Т.е. терминалы релейной защиты используют multicast-потоки для обмена сообщениями между собой, а также измерения передаются с помощью multicast.

До цифровой подстанции в энергетике горизонтальная связь реализовывалась при помощи связи точка-точка между терминалами. В качестве интерфейса использовался либо медный, либо оптический кабель. Данные передавались по проприетарным протоколам.

К этой связи предъявлялись очень высокие требования, т.к. по этим каналам передавали сигналы срабатывания защит, положения коммутационных аппаратов и т.д. От этой информации зависел алгоритм оперативной блокировки терминалов.

В случае если данные будут передавать медленно или негарантированно, велика вероятность, что какой-то из терминалов не получит актуальной информации по текущей ситуации и может подать сигнал на отключение или включение коммутационного аппарата, когда на нем, например, будут проводиться какие-то работы. Или УРОВ не отработает вовремя и КЗ распространится на остальные части электрической схемы. Все это чревато большими денежными потерями и угрозой человеческой жизни.

Поэтому данные должны были передаваться:

  • Надежно.
  • Гарантированно.
  • Быстро.

GOOSE расшифровывается как General Object Oriented Substation Event, но эта расшифровка уже не очень актуальна и смысловой нагрузки не несет.

В рамках этого протокола, терминалы релейной защиты обмениваются GOOSE-сообщениями между собой.

Переход от связи точка-точка к ЛВС подхода не изменил. Данные по-прежнему необходимо передавать надежно, гарантированно и быстро. Поэтому для GOOSE-сообщений используется несколько непривычный механизм передачи данных. Про него чуть позже.

Измерения, как мы уже обсудили, также передаются с помощью multicast-потоков. В терминологии ЦПС эти потоки называются SV-потоками (Sampled Value).

SV-потоки – это сообщения, содержащие определенный набор данных и передаваемые непрерывно с определенным периодом. Каждое сообщение содержит измерение в определенный момент времени. Измерения берутся с определенной частотой – частотой дискретизации.

Частота дискретизации — частота взятия отсчетов непрерывного по времени сигнала при его дискретизации.

Частота дискретизации 80 выборок в секунду

Состав SV-потоков описан в МЭК61850-9-2 LE.

SV-потоки передаются через шину процесса.

Шина процесса — коммуникационная сеть, обеспечивающая обмен данными между измерительными устройствами и устройствами уровня присоединения. Правила обмена данными (мгновенными значениями тока и напряжения) описаны в стандарте МЭК 61850-9-2 (на данный момент используется профиль МЭК 61850-9-2 LE).

SV-потоки, также как и GOOSE-сообщения, должны передаваться быстро. Если измерения будут передаваться медленно, то терминалы могут вовремя не получить значение тока или напряжения, необходимое для срабатывания защиты, и тогда короткое замыкание распространится на большую часть электрической сети и причинит большой ущерб.

Зачем необходим multicast?

Как упоминалось выше, для закрытия требований по передаче данных для горизонтальной связи, GOOSE передаются несколько непривычно.

Во-первых, они передаются на канальном уровне и имеют свой Ethertype – 0x88b8. Это обеспечивает высокую скорость передачи данных.

Теперь необходимо закрыть требования гарантированности и надежности.

Очевидно, что для гарантированности необходимо понимать доставлено ли сообщение, но мы не можем организовать отправки подтверждений получения, как, например, это делается в TCP. Это значительно снизит скорость передачи данных.

Поэтому для передачи GOOSE используется архитектура «Издатель-Подписчик».

Архитектура «Издатель – Подписчик»

Устройство отправляет GOOSE-сообщение на шину, и подписчики получают это сообщение. Причем сообщение отправляется с постоянным временем T0. Если случается какое-то событие, то генерируется новое сообщение, в независимости от того, закончился предыдущий период Т0 или нет. Следующее сообщение с новыми данными генерируется через очень короткий промежуток времени, потом — через чуть больший и так далее. В итоге время увеличивается до Т0.

Принцип передачи GOOSE-сообщений

Подписчик знает, от кого он получает сообщения, и если от кого-то не получил сообщение через время T0, то он генерирует сообщение об ошибке.

SV-потоки также передаются на канальном уровне, имеют свой Ethertype — 0x88BA и передаются по модели «Издатель – Подписчик».

Нюансы multicast-передачи в Цифровой подстанции

Но в «энергетическом» multicast’е есть свои нюансы.

Нюанс 1. Для GOOSE и SV определены свои multicast-группы

Для «энергетического» multicast используются свои группы для рассылки.

В телекоме для multicast-рассылки используется диапазон 224.0.0.0/4 (за редкими исключениями есть зарезервированные адреса). Но сам стандарт МЭК 61850 и корпоративный профиль МЭК 61850 от ПАО «ФСК» определяет собственные диапазоны multicast-рассылки.

Для SV-потоков: от 01-0C-CD-04-00-00 до 01-0C-CD-04-01-FF.

Для GOOSE-сообщений: от 01-0C-CD-01-00-00 до 01-0C-CD-01-01-FF.

Нюанс 2. Терминалы не используют протоколы multicast

Второй нюанс гораздо значительнее — терминалы релейной защиты не поддерживают ни IGMP, ни PIM, ни какие-либо еще multicast-протоколы. Тогда как они работаю с multicast? Они просто ждут, когда на порт будет прислана нужная информация. Т.е. если они знают, что подписаны на определенный MAC-адрес, то принимают все приходящие фреймы, но обрабатывают только необходимые. Остальные просто отбрасывают.

Другими словами – вся надежда возлагается на коммутаторы. Но как будет работать IGMP или PIM, если терминалы не будут посылать Join-сообщения? Ответ простой – никак.

А SV-потоки – это достаточно тяжелые данные. Один поток весит около 5 Мбит/с. И если все оставить как есть, то получится, что каждый поток будет передаваться широковещательно. Другими словами, мы потянем всего 20 потоков на одну 100 Мбит/с ЛВС. А количество SV-потоков на крупной подстанции измеряется сотнями.

Какой тогда выход?

Простой — использовать старые проверенные VLAN.

Более того, IGMP в ЛВС Цифровой Подстанции может сыграть злую шутку, и наоборот ничего не будет работать. Ведь коммутаторы без запроса не начнут передавать потоки.

Поэтому можно выделить простое правило пусконаладки – «Сеть не работает? – Disable IGMP!»

Нормативная база

Но может быть все-таки можно как-то организовать ЛВС Цифровой Подстанции на основе multicast? Давайте попробуем обратиться теперь к нормативной документации по ЛВС. В частности я буду приводить выдержки из следующих СТО:

  • СТО 34.01-21-004-2019 — ЦИФРОВОЙ ПИТАЮЩИЙ ЦЕНТР. ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЦИФРОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 110-220 кВ И УЗЛОВЫХ ЦИФРОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 35 кВ.
  • СТО 34.01-6-005-2019 — КОММУТАТОРЫ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ. Общие технические требования.
  • СТО 56947007-29.240.10.302-2020 — Типовые технические требования к организации и производительности технологических ЛВС в АСУ ТП ПС ЕНЭС.

Ну и еще СТО прописывает, что обслуживающий персонал должен знать, что такое multicast.

На этом все про multicast…

Теперь давайте посмотрим, что можно найти в этих СТО про VLAN.

Здесь уже все три СТО сходятся в том, что коммутаторы должны поддерживать VLAN на основе IEEE 802.1Q.

СТО 34.01-21-004-2019 говорит о том, что VLAN’ы должны использоваться для управления потоками, и при помощи VLAN трафик должен разделяться на РЗА, АСУТП, АИИС КУЭ, видеонаблюдение, связь и др.

СТО 56947007-29.240.10.302-2020, помимо этого, еще требует при проектирование подготовить карту распределения по VLAN. При этом СТО предлагает свои диапазоны IP-адресов и VLAN для оборудования ЦПС.

Также СТО приводит таблицу рекомендуемых приоритетов для разных VLAN.

Таблица рекомендуемых приоритетов VLAN из СТО 56947007-29.240.10.302-2020

С точки зрения управления потоками – это все. Хотя в этих СТО есть еще много чего пообсуждать – начиная с разнообразных архитектур и заканчивая настройками L3 — мы это обязательно сделаем, но в следующий раз.

А сейчас давайте подведем итог по управлению потоками в ЛВС Цифровой Подстанции.

Заключение

В Цифровой Подстанции, несмотря на тот факт, что передается очень много multicast-потоков, по факту не применяются стандартные механизмы управления multicast-трафиком (IGMP, PIM). Это обусловлено тем, что конечные устройства не поддерживают какие-либо multicast-протоколы.

Для управления потоками используются старые добрые VLAN’ы. При этом использование VLAN регламентировано нормативной документацией, которая предлагает достаточно проработанные рекомендации.

Полезные ссылки:

  • цифровая подстанция
  • лвс
  • предача данных
  • управление потоками
  • Multicast
  • энергетика
  • multicast-потоки
  • протоколы передачи данных
  • Блог компании ООО «НПО «АвалонЭлектроТех»
  • Сетевые технологии
  • Сетевое оборудование

МЭК 61850: Информационная шина процесса цифровой подстанции

В настоящее время цифровая трансформация — основной вектор инновационного развития электроэнергетики. Одним из приоритетных направлений является технология цифровой подстанции, где весь информационный обмен вторичных систем подстанции (РЗА, ПА, ССПИ, АИИС КУЭ, РАС, ОМП и др.) осуществляется по протоколам стандарта МЭК 61850. Для того чтобы в деталях понимать суть нового подхода, мы предлагаем низкоуровневый взгляд на технологическую цепочку работы цифровых протоколов Sampled Values (SV) и GOOSE.

МЭК-61850 — стандарт «Сети и системы связи на подстанциях»

МЭК-61850 — стандарт «Сети и системы связи на подстанциях»

Слушатели этого курса увидят аналогию, изменения и новшества в информационном обмене вторичных систем относительно традиционного способа передачи измерений и управляющих воздействий «по меди». Мы предлагаем необходимый теоретический минимум и практические упражнения на симуляторах энергетических систем реального времени по данной актуальной тематике.

Курс будет интересен инженерам-разработчикам вторичных систем цифровой подстанции, инженерам-релейщикам из эксплуатации, программистам сетевого стека SV & GOOSE, инженерам-наладчикам вторичных систем цифровых подстанций, инженерам АСУ и всем, кто знает и понимает трехфазные векторные диаграммы электрических сигналов и дополнительно хочет получить базисные знания о «шине процесса» цифровой подстанции.

Курс проводит ведущий инженер ЦИТМ Экспонента по имитационному, алгоритмическому моделированию объектов электроэнергетических систем и разработке алгоритмов функционирования цифровых устройств релейной защиты и автоматики, имеет степень к.т.н. по специальности «Электрические станции и электроэнергетические системы».

Продолжительность курса — 3 дня.

МЭК-61850 — стандарт «Сети и системы связи на подстанциях»

МЭК-61850 — стандарт «Сети и системы связи на подстанциях»

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *