Sv поток 61850 что это

Sv поток 61850 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 создать цифровой двойник электроэнергетического объекта. Часть 1. Sampled Values

Так вышло, что испытания релейной защиты обязательно проводят на специальных комплексах в режиме реального времени. Внутри этих комплексов находятся цифровые двойники электроэнергетических объектов. Чтобы разобраться как и зачем их туда загружают, мы прольем свет на всеми любимый и ненавистный стандарт МЭК 61850 и поделимся своим опытом моделирования энергосистем на КПМ РИТМ.

Кому полезно?

Статья будет полезна начинающим специалистам, а также тем, кто уже работает с цифровыми технологиями в электроэнергетике и смежных областях.

В данной статье рассмотрено:

1. Назначение протокола Sampled Values.
2. Структура его прикладного кадра Ethernet.
3. Цифровое моделирование энергосистемы в реальном времени на КПМ РИТМ.

Первые два раздела носят справочный характер и служат основой для понимания того, как устроено цифровое общение между устройствами на подстанции. Поэтому тем, кто на «ты» с протоколами МЭК 61850, можно смело переходить к третьему разделу.

1. Назначение протокола Sampled Values

Для начала немного теории из стандарта «ФСК ЕЭС»:

Цифровой подстанцией (ЦПС) называется подстанция, в которой организация всех потоков информации при решении задач мониторинга, анализа и управления осуществляется в цифровой форме, а параметры такой передачи определяются единым файлом электронного проекта. В качестве основной среды передачи данных в рамках цифровой подстанции используется локальная вычислительная сеть (ЛВС) на базе технологии Ethernet, а в качестве коммуникационных протоколов применяются протоколы, описанные стандартом МЭК 61850.

Другими словами, при переходе от «меди» к ЛВС ключевым вопросом стала организация потоков информации по протоколам МЭК 61850. Среди всего многообразия потоков информации на подстанции мы рассмотрим процесс передачи цифровых измерений токов и напряжений, которые поступают от трансформаторов тока и напряжений.

Источником мгновенных измерений служат специальные устройства обработки первичного сигнала от традиционных или от оптических измерительных трансформаторов. Эти устройства часто называют «устройство сопряжения» или «merging unit». Устройства предназначены для оцифровки сигналов тока и напряжения и их передачу в цифровом виде в единое информационное пространство подстанции по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС).

Основным протоколом для передачи высокодискретных измерений является протокол Sampled Values (SV). SV-протокол в спецификации 9-2LE предназначен для передачи мгновенных измерений четырех токов и четырех напряжений. По три измерения на каждую фазу и одно в нейтрали. Измерения располагаются в SV-кадре.

2. Структура SV-кадра

Поскольку для передачи данных по протоколу Sampled Values используется Ethernet II, SV-кадр содержит все его основные составляющие. Структуру SV-кадра длиной 1526 байт можно разделить на три уровня.

Первый уровень

Preamble длиной 8 байт находится в самом начале ethernet кадра для синхронизации отправителя и получателя. Преамбула сообщает получателю о необходимости подготовиться к поступлению кадра.

DA (Destination Address) длиной 6 байт содержит MAC-адрес получателя. Поддерживает три основных метода передачи трафика в сетях – Unicast, Broadcast и Multicast. Входит в заголовок кадра.

SA (Source Address) длиной 6 байт содержит MAC-адрес отправителя, только Unicast. Входит в заголовок кадра.

Priority tagged длиной 4 байта используется для передачи значения приоритета.

Ethernet type длиной 2 байта указывает тип протокола (0x88BA для МЭК 61850) инкапсулированных в данный кадр данных. Входит в заголовок кадра.

APPID длиной 2 байта – идентификатор приложения – используется для фильтрации, то есть для выбора тех кадров Ethernet, которые содержат SV. По умолчания значение 0x4000.

Length длиной 2 байта указывает суммарную длину полей APPID, Length, reserved 1, reserved 2 и APDU.

Reserved 1 длиной 2 байта – зарезервированное поле, в котором указывает режим работы устройства. Если старший бит 1, то включен режим тестирования.

Reserved 2 длиной 2 байта – зарезервированное поле для передачи параметров безопасности.

APDU протокольный блок данных прикладного уровня с измерениями.

Checksum длиной 4 байта со значением контрольной суммы для проверки целостности данных при передаче. Кадр удаляется, если обнаружится ошибка.

Второй уровень

savPdu длиной 4 байта – начало сообщения

noASDU длиной 3 байта – количество ASDU в одном кадре (от 1 до 8)

Мы помним, что наши токи и напряжения – это обычные синусоиды. В зависимости от того, для чего предназначены измерения, меняется количество точек на период измеренной синусоиды, а также сколько таких точек будет храниться в одном SV-кадре.

Цифровой программно-технический комплекс РЕТОМ-61850

Предлагаем вашему вниманию материалы сборника инструментов для наладки и обслуживания цифровых подстанций «Альманах наладчика».

Описание прибора

Работа с комплексом РЕТОМ-61850 начинается с подключения к управляющему компьютеру через разъем Eth0. Для подсоединения к проверяемому устройству или к ЛВС используются разъемы Eth1–Eth4, которые в зависимости от исполнения могут оснащаться SFP модулями, позволяющими подключать прибор, как по медным соединениям, так и по оптическим.

Разъем PTP используется только для синхронизации по протоколу PTP, что обеспечивает максимально точную синхронизацию.

Подключение осуществляется через SFP модули, которые могут быть как медными, так и оптическими. Сетевые разъемы Eth0-Eth4 конфигурируются в зависимости от потребностей пользователя: они могут быть настроены индивидуально либо собраны в одну или несколько групп, что позволяет прибору выполнять функции коммуникатора. При совместной работе с РЕТОМ-61/51 через информационный кабель, РЕТОМ-61850 расширяет возможности комплексов. В этом случае он выдает токи и напряжения в SV-потоки параллельно с прибором РЕТОМ-61/51. Все логические входы/выходы из входящих/исходящих GOOSE-сообщений транслируются в/из РЕТОМ-61/51, что позволяет проверять оборудование, частично поддерживающее стандарт МЭК-61850. Для работы с усилителями (например, РЕТОМ-61УМ) на задней панели прибора имеются низковольтные выходы. Любой SV-поток прибора может перенаправляться на низковольтные выходы. Выдача токов и напряжений в SV-потоках и в низковольтных выходах параллельна. Выдаваемые напряжения масштабируются при помощи настраиваемых коэффициентов. Прибор имеет два дискретных входа и четыре дискретных выхода. Сигналы с дискретных входов могут перенаправляться в исходящие GOOSE-сообщения, а дискретные выходы могут ретранслировать состояния логических входов из входящих GOOSE-сообщений. Синхронизация осуществляется по протоколам NTP, PTPv2 и от сигнала PPS. Тип синхронизации и настройки задаётся в веб-интерфейсе управления устройством. Прибор может выполнять функции сервера PTP, а также быть генератором сигнала PPS.

Программное обеспечение

Рис. 2. Главное окно управляющей программы

РЕТОМ-61850 работает под управлением универсального программного обеспечения, предназначенного также для работы с комплексами РЕТОМ-61/51. Главное окно управляющей программы (рис. 2) содержит стандартный пакет программ, специальные программы и набор сервисных утилит.

Рис. 3. Список приборов в работе

С описанием каждой программы и примерами использования можно ознакомиться в соответствующем разделе справки. Утилита «Настройка РЕТОМ» (рис. 3) автоматически находит и добавляет необходимое количество приборов, начиная с ранних версий РЕТОМ-61/51 и заканчивая новейшими РЕТОМ-71 и РЕТОМ-61850. Добавление возможно как вручную, так и через автоматический поиск. При необходимости список легко редактируется.

Рис. 4. Назначение токов и напряжений в «виртуальные каналы»

Далее производится настройка ассоциации аналоговых и дискретных входов/ выходов приборов с аналоговыми и дискретными входами/выходами программы управления (рис. 4). Для работы с проверочными программами в приборе РЕТОМ-61850 необходимо настроить GOOSE/SV-потоки.

Исходящие GOOSE-сообщения добавляются во вкладке «Дискретные сигналы>Исходящие» вручную (рис. 5) либо из SCD или CID-файла. Каждый логический сигнал может формироваться с параметром качества и UTC временем изменения состояния. Логические сигналы могут выдаваться в виде структуры. Входящие GOOSE-сообщения добавляются во вкладке «Дискретные сигналы->Входящие» из SCD или CIDфайла либо с помощью поиска GOOSE‑сообщений в сети.

После добавления соответствующих устройств необходимо назначить логические входы на соответствующие сигналы GOOSE-сообщений (рис. 6). Поля MAC, GoID и ConfRev – редактируемые, каждое поле может быть включено/выключено для фильтрации. Входящие аналоговые сигналы добавляются во вкладке «Аналоговые сигналы->Входящие» вручную, из SCD или CID файла или путём поиска SV-потоков в сети. В настройках SV-потока можно отредактировать SVId, MAC, AppId, задать базовый вектор и коэффициенты преобразования токов и напряжений, включить осциллографирование токов и напряжений. На экран в табличном и векторном виде выводятся значения амплитуд, фаз, частот сигналов и общие характеристики входящего SV-потока – тестовый, синхронизированный, а также частота дискретизации (80/256).

При необходимости выводится таблица расчета параметров мощности и симметричных составляющих (рис. 7). Режим «Регистрация» используется для регистрации значений токов и напряжений входящих SV-потоков, входящих логических сигналов и их графического отображения на одном временном отрезке с целью дальнейшего анализа. Регистрируемые аналоговые сигналы добавляются во вкладке «Аналоговые сигналы->Регистрация» вручную или путём поиска SV-потоков в сети. Запись SV-потока возможно начать по старту работы прибора, по срабатыванию какоголибо логического входа или по срабатыванию дискретного входа. В случае запуска регистрации по входу задается время предварительной записи.

Останов регистрации задается аналогично: по истечении времени регистрации, по срабатыванию логического входа или по срабатыванию дискретного входа (рис. 8). Время записи задается после останова регистрации. Полученные сигналы можно экспортировать в формат COMTRADE либо сохранить в собственном формате. Исходящие SV-потоки добавляются во вкладке «Аналоговые сигналы->Исходящие» вручную. Во вкладке «Данные» задаются все параметры SV-потока – MAC, SVId, AppID, Vlan. Предусмотрена возможность ручной настройки флагов «Qualilty», которые могут быть общими для всех токов и напряжений в потоке или индивидуальными.

Также задаются коэффициенты, частота дискретизации (80/256), значения токов и напряжений (рис. 9). Во вкладке «Искажения» задаются различные искажения, с которыми SV-поток будет транслироваться в сеть, настраиваются смещение выборок, порядок следования пакетов и пропуски пакетов. Во всплывающем окне «Перенаправление аналоговых сигналов» можно направить любой заданный поток на низковольтные выходы прибора. После вышеперечисленных действий комплекс готов к проверке, которая осуществляется с помощью программных модулей стандартного пакета или специальных программ. Наиболее часто используется модуль «Ручной режим», позволяющий в ручном и автоматическом режиме управлять токами и напряжениями приборов, автоматически фиксировать срабатывание и возврат тестируемой защиты по различным признакам, воздействовать на логику защиты с помощью логических выходов, измерять и осциллографировать токи и напряжения.

Рис. 10. Основная программа «Ручной режим»

Во вкладках «Ток» или «Напряжение» в требуемой группе (на рис. 10 «Группа 1» или «Группа 2») выбирается режим управления: «Пофазное управление», «Управление ABC», «Управление AN» и т.д, во вкладке «Прибор» – необходимый режим работы: «Ручное управление», «Секундомер», «Авто», «Гармоники». Во вкладке «Векторная диаграмма» отображаются принимаемые значения. Во вкладках «Входы дискретные» и «Выходы дискретные» задаются алгоритмы работы логических входов/выходов.

Преимущества

Единый интерфейс управления приборами РЕТОМ-61850 и РЕТОМ-61/51 значительно упрощает их эксплуатацию для всех видов персонала, будь то специалисты по эксплуатации на подстанции или разработчики устройств в лаборатории.

Гибкая настройка позволяет управлять одновременно приборами, количество которых не ограничено.

Значения токов и напряжений могут выдаваться независимо друг от друга на любые каналы тока и напряжения РЕТОМ-61850 (в SV-потоки) или РЕТОМ-61/51. Всё это позволяет проверять шкафы или подстанции любой конфигурации и сложности. Комплекс предназначен для отладки и проверки отдельных устройств РЗА и шкафов на всех этапах их жизненного цикла: при монтажных, пусконаладочных и приемосдаточных испытаниях, а также для периодических проверок как элементов ЦП, так и подстанции в целом. Многолетний опыт эксплуатации РЕТОМ-61850 и тесное взаимодействие с потребителями позволяют совершенствовать комплекс с учетом современных требований к проверке оборудования цифровой подстанции.

Комплект поставки:

• устройство РЕТОМ-61850;
• ноутбук или планшетный компьютер;
• стандартное программное обеспечение: ручное управление независимыми источниками тока и напряжения, генератор последовательностей, реле тока, реле напряжения, реле частоты, реле мощности, реле сопротивления, RL-модель, COMTRADE, гармоники, генератор проверок, секундомер;
• сумка для хранения и транспортирования;
• кабель Ethernet для подключения к компьютеру;
• SFP-модули (опционально);
• кабели медные или оптические (опционально) для подключения к ЛВС;
• кабели интерфейсные для подключения к РЕТОМ-61/51;
• кабели общего назначения для подключения дискретных входов/выходов;
• кабель низковольтный;
• кабель сетевой.

Технические характеристики:

• USB-порт 1
• Ethernet-порты 6 (1 медный, 5 медных/оптических)
• скорость обмена данных 100/1000
• дискретные входы 2 (сухой контакт, TTL)
• дискретные выходы 4 (2 релейных, 2 транзисторных)
• низковольтные выходы 8 (±10 В)
• синхронизация PPS, NTP, PTP v2
• степень защиты по ГОСТ 17516.1-90 IP20
• время приема-передачи согласно МЭК 61850 Type 1A; Class P2/3
• питание 100–240 В, 47–53 Гц, потребляемая мощность не более 150 ВА

Функции:

• прием GOOSE (Ed. 1) 128
• передача GOOSE (Ed. 1) 128
• логические входы/выходы 64/32
• прием SV (80/256, 9-2LE) 6
• регистрация SV (80/256, 9-2LE) 6
• передача SV (80/256, 9-2LE) управляемые 20 (до 50 в режиме «Шторм»)
• генерация искаженных SV-потоков: смещение выборок, перемешивание выборок, пропуски выборок
• расчет частоты, амплитуды, фазы и параметров мощности и симметричных составляющих входящих SV-потоков
• PTP v2 сервер
• генератор PPwS

Цифровая подстанция. Потоки в ЛВС и управление ими

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?

Как данные передаются в сети и зачем управлять multicast-потоками

Прежде чем переходить непосредственно к цифровой подстанции и нюансам построения ЛВС, предлагаем краткий ликбез по типам передачи данных и протоколам передачи данных для работы с multicast-потоками.

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.

Чтобы не запутать карты, давайте, прежде чем переходить к multicast, кратко проговорим про другие три типа передачи данных.

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.

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.

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.

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.

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 по MAC-адресам

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.

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 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.

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.

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:

В рамках этой статьи мы по касательной расскажем про общий принцип действия этих протоколов.

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:

Протокол PIM DM действует от обратного, в сравнении с IGMP. Коммутатор изначально рассылает multicast-поток как широковещательный — на все порты, кроме того, с которого он был получен. Затем отключает поток на тех портах, откуда пришли сообщения о том, что он не нужен. 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.

Типы передачи данных. Что такое цифровая подстанция и зачем там нужен multicast

Прежде, чем заговорить про ЛВС цифровой подстанции, нужно разобраться, что такое цифровая подстанция, а потом ответить на вопросы:

• Кто участвует в передаче данных?
• Какие данные передаются в ЛВС?
• Какая типовая архитектура ЛВС?

И уже после этого обсуждать multicast.

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.

Этот тренд получил очень большое развитие в российской энергетике и сейчас повсеместно внедряется. В 2019 и 2020 году появилось очень много нормативных документов, регулирующих создание цифровой подстанции на всех этапах разработки. Например, СТО 34.01-21-004-2019 ПАО «Россети» определяет следующее определение и критерии ЦПС:

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

Критерии:

• 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 — общение терминалов между собой;
  — вертикальная — 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.

Это очень упрощенный перечень систем, которые обмениваются данными в составе цифровой подстанции.

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.

На структурной схеме изображены шины:

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

Терминалы релейной защиты участвуют и в горизонтальной и в вертикальной связи, а также используют измерения, поэтому они подключаются ко всем шинам.

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.

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.

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 станции/подстанции включает в себя АРМы и сервера. 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.

Шина станции/подстанции объединяет в себе функции шины «Мониторинг/управление» и шины «Передача сигналов РЗА». А шина процесса выполняет функции шины «Передача мгновенных значений напряжения и тока».

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.

Теперь вместо связи «точка-точка» используется шина станции/подстанции, т. е. ЛВС. А данные передаются с помощью протокола GOOSE, который описан стандартом МЭК 61850 (в МЭК 61850-8-1, если быть точнее).

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.

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 — 0×88b8. 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».

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.

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 — 0×88BA и передаются по модели «издатель-подписчик».

Нюансы multicast-передачи в цифровой подстанции

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, будем 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».

Давайте сначала посмотрим, что можно найти в этих СТО про multicast? Упоминание есть только в свежем СТО от ПАО «ФСК ЕЭС». СТО просит при приемо-сдаточных испытаниях ЛВС проверить, корректно ли настроены VLAN, и проверить отсутствие multicast-трафика в непрописанных в рабочей документации портах коммутаторов. 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.

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

• Обучающий курс «Цифровая подстанция от Phoenix Contact».
• Решения для ЦПС от Phoenix Contact.

�� Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках