Sv поток 61850 что это
Перейти к содержимому

Sv поток 61850 что это

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 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.

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.

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.

Sv поток 61850 что это

Релейная защита

Стандарт МЭК 61580 позволил создавать подстанции нового поколения – цифровые, которые должны стать элементами умной сети,
а точнее, «интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью». Внедрение МЭК 61850 дало возможность связать всё технологическое оборудование подстанции единой информационной сетью, по которой передаются не только данные от измерительных устройств к терминалам РЗА, но и сигналы управления.
В данной публикации авторы рассматривают подсистемы релейной защиты, автоматики и коммерческого учета электроэнергии, построенные на базе цифровых систем передачи данных по протоколам, описанным МЭК 61580.

Алексей Аношин,
исполнительный директор
Александр Головин,
технический директор
ООО «ТЕКВЕЛ», г. Москва

ЦИФРОВЫЕ ПОДСТАНЦИИ
Проблемы внедрения устройств РЗиА

МЭК 61850

МЭК 61850 – это глобальный коммуникационный стандарт, сфера действия которого, согласно планам Международной электротехнической комиссии [1], будет расширена за рамки электроэнергетики. Стандарт МЭК 61850 «Коммуникационные сети и системы для систем автоматизации в электроэнергетике» имеет целый ряд глав, в которых описываются 3 протокола передачи данных, а также требования к информационной модели, которая должна быть реализована в устройствах, к языку конфигурирования и процессу инжиниринга систем.
Четкое описание информационной модели устройств является одной из важных особенностей стандарта МЭК 61850, отличающей его от других стандартов информационного обмена в электроэнергетике. В соответствии с требованиями каждое физическое устройство должно содержать в себе логический сервер, в рамках которого заложена иерархическая модель, включающая одно или несколько логических устройств, в которых содержатся логические узлы. Каждый логический узел в свою очередь включает в себя элементы и атрибуты данных (рис. 1).

Рис. 1. Иерархическая информационная модель

Логические узлы – это стандартизованное описание коммуникационного интерфейса различных функций устройств. Например, функции МТЗ в релейной защите (РЗА) соответствует логический узел PTOC. В логическом узле содержатся различные элементы данных, например элемент str, обеспечивающий сигнализацию пуска защиты. Атрибутами элемента str будут являться такие поля, как general (общий пуск), phsA (пуск по фазе А) и другие.

Как уже было сказано, стандарт МЭК 61850 предлагает использование трех протоколов передачи данных (рис. 2):

  • MMS (Manufacturing Message Specification – стандарт ISO/IEC 9506) – протокол передачи данных реального времени и команд диспетчерского управления между сетевыми устройствами и/или программными приложениями;
  • GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event – стандарт МЭК 61850-8-1) – протокол передачи данных о событиях на подстанции. Фактически данный протокол служит для замены медных кабельных связей, предназначенных для передачи дискретных сигналов между устройствами;
  • SV (Sampled Values – стандарт МЭК 61850-9-2) – протокол передачи оцифрованных мгновенных значений от измерительных трансформаторов тока и напряжения (ТТ и ТН). Данный протокол позволяет заменить цепи переменного тока, соединяющие устройства РЗА с ТТ и ТН.

Рис. 2. Протоколы стандарта МЭК 61850

В первую очередь производители реализовали поддержку протоколов MMS и GOOSE. Только спустя 10 лет с момента опубликования первого релиза стандарта производители вплотную подошли к реализации поддержки протокола SV. Импульсом для развития этого протокола послужила подготовка руководящих указаний по реализации протокола МЭК 61850-9-2 (обычно именуемых МЭК 61850-9-2 LE от анг­лийского Light Edition – облегченная версия). Руководящие указания четко определили параметры реализации протокола, критически важные для обеспечения совместимости устройств, в частности, частоту дискретизации, состав информационного пакета и т.п.

Некоторые параметры, определенные спецификацией 9-2 LE, вызывали недовольство производителей. Например, выбранная частота дискретизации 80 выборок за период не совпадала с внутренней частотой обработки сигналов в устройствах РЗА российских и многих зарубежных (Япония, Франция) производителей. Это вызвало определенное запаздывание в разработке устройств релейной защиты с поддержкой протокола SV, однако сейчас можно говорить о том, что данная проблема решена, и опытные образцы устройств с поддержкой протокола МЭК 61850-9-2 представили почти все крупнейшие производители РЗА.

Таким образом, одна из главных задач на пути построения цифровых подстанций, а именно создание необходимого комплекса вторичного оборудования с поддержкой цифровых протоколов, на сегодняшний день решена. Тем не менее остается еще ряд организационных и технических вопросов, без решения которых переход на «цифру» во вторичных системах осуществлен быть не может. Перечислим их:

  • функциональная совместимость устройств различного назначения и различных производителей;
  • надежность передачи данных по цифровым сетям;
  • необходимая скорость передачи данных;
  • адекватная технологиям нормативная база, в первую очередь в области метрологии;
  • решение вопросов проектирования цифровых подстанций.

Рассмотрим каждый из этих аспектов подробнее.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ СОВМЕСТИМОСТИ

Совместимость устройств различных производителей по цифровым протоколам передачи данных – это один из базовых принципов МЭК 61850.

На ранней стадии развития стандарта реализуемость данного принципа ставилась под сомнение. Основой для этого стала относительно сырая реализация протоколов в первых версиях устройств: каждый производитель спешил декларировать, что имеет устройство с поддержкой МЭК 61850. Для испытания таких устройств был создан целый ряд лабораторий по исследованию функциональной совместимости, которые работают за рубежом и в России.

Результаты испытаний в лабораториях, а также самостоятельные испытания производителей показывают, что проблема обеспечения совместимости по протоколам GOOSE, MMS и SV (в редакции LE) на сегодняшний день уже не стоит [2].

Отдельной задачей здесь является обеспечение совместимости по языку конфигурирования в соответствии с МЭК 61850-6. Указанная глава стандарта описывает язык конфигурирования Substation Configuration Language (SCL), основанный на языке разметки XML и предназначенный для создания конфигурационных файлов устройств.

Различают следующие виды SCL-файлов:
ICD – файл описания возможностей устройства;
SSD – файл описания спецификации подстанции;
SCD – файл описания конфигурации подстанции;
CID – файл описания конфигурации устройства.

Процедура конфигурирования устройств, описанная стандартом, предполагает следующие шаги (рис. 3):

  • создание файла спецификации SSD с использованием специализированного программного обеспечения для проектирования;
  • при помощи программного обеспечения, поставляемого вместе с устройствами РЗА, из устройств извлекаются файлы описания возможностей – ICD;
  • интеграция в файл SSD файлов описания возможностей устройств ICD и конфигурирование коммуникационных связей между устройствами. Данная операция также выполняется в специализированном ПО для проектирования. В результате будет получен файл описания конфигурации подстанции – SCD;
  • импорт файла SCD в ПО для конфигурирования устройств и получение отдельных файлов конфигураций для каждого из устройств – CID – с последующей загрузкой этих файлов в устройства.

Рис. 3. Процедура конфигурирования по МЭК 61850

Во время наладки устройства может потребоваться частичное изменение конфигурации. В таких случаях используется еще один тип файла – IID. Этот файл предназначен для внесения изменений в файл описания конфигурации подстанции SCD. После изменения файла SCD все конфигурации в устройствах должны быть обновлены.

На сегодняшний день стыковка программного обеспечения производителей устройств и ПО для системного конфигурирования обеспечена не в полной мере. В лаборатории по исследованию функциональной совместимости устройств, работающих по протоколам стандарта МЭК 61850, удалось использовать ПО для проектирования Atlan для конфигурирования устройства MiCOM P141, SEL-451 и SIPROTEC 7SJ80. В ПО некоторых производителей невозможно импортировать готовый проект в формате SCD. Вместо этого приходится настраивать конфигурацию для каждого устройства по отдельности.

В целом этот недостаток не мешает организовать связь по протоколам GOOSE, MMS или SV между устройствами, в том числе и разных производителей устройств РЗА, однако усложняет процесс проектирования и наладки и повышает требования к квалификации персонала наладочных организаций.

НАДЕЖНОСТЬ СЕТЕЙ СВЯЗИ

Особенностью вторичных систем, построенных по стандарту МЭК 61850, является реализация большинства функций защиты и автоматики с использованием информационной сети. Соответственно надежность системы РЗА будет связана с надежностью подсистемы передачи данных.

Стандарт МЭК 61850 предлагает целый комплекс решений, направленных на повышение надежности передачи данных. Этот комплекс включает в себя как средства, описанные самим стандартом, так и стандартные средства коммуникационных протоколов Ethernet, к которым относится физическое резервирование информационной инфраструктуры в сочетании с использованием протоколов резервирования.

В настоящее время существует три основных протокола резервирования: RSTP, PRP, HSR.

Выбор протокола и его параметров будет определяться топологией информационной сети и требуемыми характеристиками в части допустимого времени перебоя передачи данных.

Методики обеспечения надежности, описанные стандартом МЭК 61850 для протоколов MMS, GOOSE, SV, будут различны по причине существенных различий между указанными протоколами.

Протокол MMS представляет собой стандартный клиент-серверный протокол поверх стека TCP/IP. Для обеспечения передачи данных в нем используется механизм запросов и ответов (рис. 4). Таким образом, при неудачной попытке передачи данных устройство сможет сформировать соответствующий отчет.

Рис. 4. Механизм передачи данных по протоколу MMS.

Протокол GOOSE осуществляет передачу данных по технологии «издатель–подписчик» без подтверждения приема данных. Обеспечение гарантированной доставки сообщений в данном протоколе осуществляется путем многократного по-вторения передаваемого сообщения с минимальной выдержкой времени (микросекунды).

С целью диагностики канала связи даже при отсутствии изменений передаваемых сигналов, устройство-издатель периодически отправляет посылку с этими данными. В случае повреждения канала связи устройство-подписчик не получит через заданный интервал посылку и сможет выдать оповещение о неполадках в канале связи.

На рис. 5 проиллюстрирован механизм передачи данных по протоколу GOOSE, где Т0 – интервал в нормальном режиме, (Т0) – интервал от передачи последнего сообщения до сообщения после изменения данных в пакете GOOSE-сообщения, Т1–Т4 – изменяющийся интервал между пакетами GOOSE-сообщений от минимального до номинального.

Рис. 5. Изменение интервала времени передачи пакетов GOOSE-сообщений

Протокол SV, так же как и GOOSE, является протоколом типа «издатель–подписчик». Данные по протоколу SV передаются постоянным потоком так, что устройство-подписчик может обнаружить повреждение канала связи по отсутствию данных.

Помимо диагностики канала связи, данные по протоколам GOOSE и SV снабжаются метками качества. Метка качества содержит несколько полей, каждое из которых предназначено для передачи данных о состоянии устройства, передающего данные, включая сведения о его работоспособности, точности и т.п.

Реализация описанных принципов в системах, построенных по стандарту МЭК 61850, позволяет мгновенно выявлять повреждения элементов сетевой инфраструктуры и устройств РЗА и обеспечивать быструю реакцию на них.

Тем не менее для сохранения работоспособного состояния системы и обеспечения бесперебойного выполнения критически важных функций требуется правильно выбрать структуру системы, предусмотреть, где это требуется, структурное резервирование элементов и наладить протоколы резервирования сетевых устройств. Эти вопросы лежат вне рамок стандарта МЭК 61850 и должны быть проработаны на национальном уровне. В силу комплексности рассматриваемого вопроса представляется целесообразной разработка руководящих указаний, дающих рекомендации по выбору топологии информационной сети и принципов резервирования применительно к типовым схемам распределительных устройств, принятым в России.

СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Скорость передачи данных по информационной сети цифровой подстанции, наряду с надежностью, является важнейшим параметром. Время доставки данных для важных сигналов (например, пуск или срабатывание защиты, команда отключения выключателя и т.п.) будет определять суммарное время ликвидации ненормальных режимов и должно быть минимизировано.

Действующая редакция МЭК 61850-5 нормирует допустимое время передачи сигналов (табл. 1).

Табл. 1. Нормированное время передачи сигналов

Тип сигнала Максимальное время передачи, мс
Сигнал отключения, блокировки 3
Снятие блокировки, изменение состояния 10
Быстрые автоматические взаимодействия 20
Медленные автоматические взаимодействия 100
Команды оператора 500
Регистрация событий, сигнализация 1000
Файлы, журналы событий > 1000

Из рассмотренных выше протоколов критично время передачи пакетов только для GOOSE и SV. Стандартом МЭК 61850 для указанных протоколов предусмотрен ряд механизмов, повышающих их приоритет по сравнению со всем остальным трафиком в информационной сети. Это означает, что загрузка аварийных осциллограмм с одного из устройств релейной защиты по протоколу MMS или FTP не помешает быстрому прохождению пакета с GOOSE-сообщением. В связи с этим при проектировании информационной сети системы автоматизации цифровой подстанции весь остальной трафик может быть оставлен за рамками рассмотрения.

GOOSE-сообщения, несмотря на сравнительно небольшой объем пакета, могут создавать достаточно большую нагрузку на сеть в момент изменения данных в передаваемом GOOSE-сообщении (когда с минимальной выдержкой времени повторно передается одно и то же сообщение). В российской практике построения подстанций с использованием протокола GOOSE был опыт проведения так называемых «штормовых» испытаний, когда серийно проверялось время доставки сообщения при одновременном срабатывании большого количества устройств РЗА.

Очевидно, что проведение таких испытаний при создании цифровых подстанций сложно реализовать. Однако вполне возможно проводить моделирование всех процессов в информационной сети проектируемой подстанции с использованием специализированного программного обеспечения.

При этом целесообразно разделить эту работу на следующие этапы:

  1. Разработка принципиальной схемы передачи данных между логическими узлами и физическими устройствами при выполнении различных функций.
  2. Моделирование логических функций в различных режимах работы ПС с регистрацией одновременно передающихся сигналов.
  3. Моделирование информационной нагрузки в сети при выполнении различных функций по результатам предыдущего этапа.

Моделирование информационной нагрузки, создаваемой протоколом МЭК 61850-9-2, является более простой задачей в силу того, что данные по указанному протоколу передаются по детерминированному закону.

Тем не менее при проектировании здесь следует учитывать различные режимы работы самой сети, например случаи выхода из строя одного из сегментов.

По своей структуре информационные сети подстанций являются не самыми сложными, и их моделирование может быть произведено достаточно точно. Стандарт МЭК 61850 при этом предоставляет большой набор инструментов, предназначенных для повышения приоритета отдельных сообщений над другими, что обеспечивает сокращение времени их доставки.

Разработка руководящих указаний в данной области на сегодняшний день нецелесообразна. Это в первую очередь обусловлено отсутствием полноценной практики внедрения шины процесса по протоколу МЭК 61850-9-2, а также серьезными различиями в характеристиках работы оборудования.

Следует отметить важность серьезной проработки проектов цифровых подстанций в этой части, поскольку проведение лишь поверхностного анализа может привести либо к неудовлетворительным результатам в части производительности системы, либо к серьезному завышению стоимости оборудования, что сделает цифровые подстанции неконкурентоспособными.

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Реализация системы коммерческого учета на базе шины процесса по протоколу МЭК 61850-9-2 – нетривиальная задача с метрологической точки зрения. Прибор учета с цифровым интерфейсом при этом становится лишь компьютером, выполняющим функции умножения и сложения. Однако требования по точности должны предъявляться к аналого-цифровому преобразователю, причем вне зависимости от того, является ли этот преобразователь первичным (цифровой или оптический трансформатор тока) или вторичным (устройство сопряжения – merging unit).

Работа в данной области должна включать в себя создание методики метрологической поверки измерительных преобразователей с интерфейсом МЭК 61580-9-2 и создание эталонных измерительных преобразователей с цифровым интерфейсом. На следующем этапе должен быть проработан вопрос защиты шины процесса от несанкционированного доступа. Эти задачи являются важнейшими на пути создания легитимной системы коммерческого учета на базе шины процесса по МЭК 61850-9-2.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И НАЛАДКА

Внедрение цифровых протоколов существенно изменяет процедуру наладки. Если ранее основная работа здесь заключалась в прокладке кабелей и их стыковке, то сейчас часть этой работы выполняется еще на этапе проектирования при конфигурировании системы по МЭК 61850 в соответствии с процедурой, описанной выше. При этом в случае выявления каких-то ошибок на этапе наладки персонал наладочной организации должен обладать достаточной компетенцией для внесения изменений в файлы конфигурации МЭК 61850. В связи с этим фактически работа проектировщика и наладчика совмещаются.

Проектная документация на цифровую подстанцию будет состоять из двух частей: проектной документации в классическом представлении и файлов конфигурации в формате файлов SCL.

Проектная документация (бумажная версия) будет включать в себя:

  • проект строительной части;
  • электрические схемы первичного оборудования;
  • электрические схемы вторичных цепей;
  • кабельные журналы;
  • уставки РЗА и другие разделы.

Конфигурация протоколов передачи данных по МЭК 61850 должна включать в себя только файл описания подстанции – SCD.

На практике для небольшого проекта подстанции с 20 присоединениями файл SCD представляет собой текстовый документ объемом более 1500 листов. Чтение и редактирование этого документа крайне затруднены (рис. 6), в связи с чем провести проверку и выявить источник возможной ошибки практически невозможно. Поэтому при разработке проектов цифровых подстанций в части передачи данных по МЭК 61580 должны быть использованы специализированные САПР с возможностью полного документирования всех коммуникаций по МЭК 61850 в графическом виде с указанием на чертеже идентификаторов логических узлов, наборов данных, GOOSE-сообщений и т.п.

Рис. 6. Пример SCD-файла

ВЫВОДЫ

В настоящее время уже решен большой комплекс вопросов, стоявших на пути внедрения цифровых подстанций. К таким вопросам можно отнести:

  1. Создание полного комплекса вторичного оборудования с поддержкой всех протоколов, описанных стандартом МЭК 61850.
  2. Обеспечение совместимости оборудования по протоколам стандарта, подтвержденное большим количеством успешных испытаний.

Такие результаты уже сегодня позволяют реализовывать пилотные проекты цифровых подстанций и накапливать опыт проектирования, монтажа, наладки и эксплуатации.

Для серийной реализации проектов цифровых подстанций должна быть создана нормативная база, обеспечивающая легитимность принимаемых в рамках проектов решений, а также приняты руководящие указания по проектированию и наладке таких объектов.

Состав первоочередных работ в этой области должен включать разработку:

  • руководящих указаний по обеспечению надежности передачи данных в рамках цифровых подстанций;
  • методик моделирования информационной сети цифровых подстанций для оценки информационной нагрузки по протоколам МЭК 61850;
  • нормативной базы, создание эталонов и методик поверки в части метрологических характеристик аналого-цифровых преобразователей с цифровым интерфейсом по протоколу МЭК 61850;
  • требований к составу и содержанию проектной документации на цифровые подстанции в части передачи данных по протоколам стандарта МЭК 61850.

Реализация вышеуказанных шагов позволит создать не только создать нормативную базу для принимаемых в рамках решений проектов, но и крепкую основу для повышения экономической эффективности проектов цифровых подстанций.

ЛИТЕРАТУРА

  1. IEC Smart Grid Standardization Roadmap. Ed. 1.0 — 2009-12.
  2. Реестр совместимых устройств. http://мэк61850.рф/совместимость
  3. Тазин В.О., Головин А.В., Аношин А.О. Инжиниринг систем автоматизации цифровых подстанций // Релейщик. 2012. № 1.

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Структура цифровых потоков данных в протоколе МЭК 61850 Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Втюрин Алексей Владимирович

В предлагаемой статье рассмотрен стандарт МЭК-61850 и предпосылки к его внедрению на подстанциях. Кратко описаны основные части стандарта и предложена концепция построения информационных систем. Предложено разработать правила, позволяющие выполнить распределение потоков данных, которые исключали бы потерю информации при передаче или недопустимо длительное время задержки при доставке данных. Делается вывод, что внедрение этого стандарта позитивно повлияет на процесс передачи данных, увеличив его эффективность и скорость.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Втюрин Алексей Владимирович

STRUCTURE OF DIGITAL DATA STREAMS IN THE IEC 61850 PROTOCOL

This article discusses the IEC-61850 standard and the prerequisites for its implementation at substations. The main parts of the standard are briefly described and the concept of building information systems is proposed. It is proposed to develop rules that allow you to distribute data streams, which would prevent loss of information during transmission or unacceptably long delays in data delivery. It is concluded that the implementation of this standard will have a positive impact on the data transfer process, increasing its efficiency and speed

Текст научной работы на тему «Структура цифровых потоков данных в протоколе МЭК 61850»

СТРУКТУРА ЦИФРОВЫХ ПОТОКОВ ДАННЫХ В ПРОТОКОЛЕ

STRUCTURE OF DIGITAL DATA STREAMS IN THE IEC 61850

Втюрин Алексей Владимирович, Студент магистратуры, ФБГО ВО «Тюменский индустриальный университет», г. Тюмень. alllexq@mail.ru

Vtyurin Alexey Vladimirovich, Master's degree student, FBGO IN "the Tyumen industrial University", Tyumen, alllexq@mail.ru

В предлагаемой статье рассмотрен стандарт МЭК-61850 и предпосылки к его внедрению на подстанциях. Кратко описаны основные части стандарта и предложена концепция построения информационных систем. Предложено разработать правила, позволяющие выполнить распределение потоков данных, которые исключали бы потерю информации при передаче или недопустимо длительное время задержки при доставке данных. Делается вывод, что внедрение этого стандарта позитивно повлияет на процесс передачи данных, увеличив его эффективность и скорость.

This article discusses the IEC-61850 standard and the prerequisites for its implementation at substations. The main parts of the standard are briefly described and the concept of building information systems is proposed. It is proposed to develop rules that allow you to distribute data streams, which would prevent loss of information during transmission or unacceptably long delays in data delivery. It is concluded that the implementation of this standard will have a positive impact on the data transfer process, increasing its efficiency and speed.

Ключевые слова: стандарт МЭК-61850, протокол передачи данных, структура цифровых потоков данных.

Keywords: IEC-61850 standard, data transfer Protocol, structure of digital data streams.

Перед началом обсуждения требуется дать определение объекту нашего исследования: стандарт МЭК-61850 является документом, описывающим свод правил для организации событийного протокола передачи информации на подстанциях и между ними. После внедрения в системах электроснабжения микропроцессорных систем релейной защиты и автоматики (РЗА) появилась необходимость в стандартизации потока передачи данных для обеспечения совместимости работы этих устройств различных производителей. То есть МЭК-61850 является универсальным стандартом, который позволяет упорядочить разрозненные решения производителей устройств РЗА [1].

Стандарт МЭК 61850, на текущий момент, включает в себя 19 документов:

1. IEC/TR 61850-1 ed1.0 (Введение и общие положения)

2. IEC/TS 61850-2 ed1.0 (Термины и определения)

3. IEC 61850-3 ed1.0 (Общие требования)

4. IEC 61850-4 ed2.0 (Системный инжиниринг и управление проектами)

5. IEC 61850-5 ed1.0 (Требования к функциям и устройствам в части передачи данных)

6. IEC 61850-6 ed2.0 (Язык описания конфигурации для обмена данными)

7. IEC 61850-7-1 ed2.0 (Базовая структура коммуникаций -Принципы и модели)

8. IEC 61850-7-2 ed2.0 (Базовая структура коммуникаций -Абстрактный интерфейс коммуникаций (ACSI))

9. IEC 61850-7-3 ed2.0 (Основная структура коммуникаций — Общие классы данных)

10. IEC 61850-7-4 ed2.0 (Основная структура коммуникаций — Классы логических узлов и объектов данных)

11. IEC 61850-7-410 ed1.0 ()

12. IEC 61850-7-420 ed1.0

13. IEC/TR 61850-7-510 ed1.0

14. IEC 61850-8-1 ed2.0 (Назначение на определенный коммуникационный сервис — Назначение на MMS и IEC 8802-3)

15. IEC 61850-9-2 ed2.0 (Назначение на определенный коммуникационный сервис — Передача мгновенных значений по интерфейсу IEC 8802-3)

16. IEC 61850-10 ed1.0 (Проверка соответствия)

17. IEC/TS 61850-80-1 ed1.0 (Руководство по передаче информации из модели общих классов данных с использованием МЭК 60870-5-101 или МЭК 60870-5-104)

18. IEC/TR 61850-90-1 ed1.0 (Использование МЭК 61850 для организации связи между подстанциями)

19. IEC/TR 61850-90-5 ed1.0 (Использование МЭК 61850 для передачи данных от устройств синхронизированных векторных измерений в соответствии с IEEE C37.118)

Сначала в соответствии с направлением данной работы следует кратко рассмотреть части стандарта, которые касаются цифровых потоков данных и их передачи по сети.

К таким частям относятся:

1. Часть стандарта МЭК 61850-5.

2. Часть стандарта МЭК 61850-6.

3. Часть стандарта МЭК 61850-7.

4. Часть стандарта МЭК 61850-8.

5. Часть стандарта МЭК 61850-9.

Построение современных автоматизированных систем управления (АСУ) ТП не обходится без применения стандарта МЭК 61850 в разнообразных аспектах и на разных этапах создания АСУ. На стадии проектирования АСУ системы подстанции используется часть стандарта МЭК 61850-6 (Язык описания конфигурации для обмена данными).

Следует уточнить, что данный формат файлов определяется как язык конфигурирования подстанций (SCL) и основывается на общепринятом в IT-среде языке разметки XML. В состав формата SCL входят 4 формата файлов:

Файл *.ICD служит для описания возможностей IED-устройства (IED Capability Description).

Файл *.SSD служит для описания спецификации системы (System Specification Description).

Файл *.SCD служит для описания конфигурации подстанции (Substation Configuration Description).

Файл *.CID служит для описания сконфигурированного IED-устройства (Configured IED Description).

Структура проекта подстанции с использованием языка SCL в соответствии со стадиями проектирования указана на Рис. 2.

Рисунок 1 — Структура проекта SCL

В соответствии с описанной процедурой проектирования, структуру подстанции можно представить в виде схемы взаимодействия устройств (IED) и серверов SCADA системы по сетевой шине (шина подстанции), обмена данными между устройствами по шине и утилитами для настройки устройств и сервера SCADA.

Следует указать, что основными протоколами для передачи данных на подстанции в соответствии с частями МЭК 61850-8 и МЭК 61850-9 являются:

Также необходимо отметить, что протокол GOOSE, описанный главой МЭК 61850-8-1, является одним из наиболее широко известных протоколов, предусмотренных стандартом МЭК 61850. Дословно расшифровку аббревиатуры GOOSE — Generic Object-Oriented Substation Event — можно перевести как «общее объектно-ориентированное событие на подстанции». Однако на практике не стоит придавать большого значения оригинальному

названию, поскольку оно не даёт никакого представления о самом протоколе. Гораздо удобнее понимать протокол GOOSE как сервис, предназначенный для обмена сигналами между устройствами РЗА в цифровом виде.

Кроме того, в части МЭК 61850-8-1 описывается протокол MMS (Manufacturing Message Specification) — протокол передачи данных по технологии «клиент-сервер». Основное его назначение — реализовывать функции АСУ ТП, т.е. сбор данных телесигнализации и телеизмерений и передача команд телеуправления.

Как уже было отмечено выше, протокол MMS предоставляет две основные возможности для сбора данных:

1. получение информации с использованием периодического опроса сервера(-ов) клиентом;

2. передача данных клиенту сервером в виде отчётов (спорадически).

Очевидно, что при налаживании работы и эксплуатации системы АСУ

ТП оба описанных способа являются востребованными. При построении цифровой подстанции для передачи аналоговых значений от измерительных трансформаторов применяется протокол МЭК 61850-9-2.

Следует указать, что протокол МЭК 61850-9-2 (Sampled Values — SV) предназначен для передачи выборок данных в технологическую локальную сеть (далее шина процесса).

Также необходимо отметить, что передача информации осуществляется с помощью широковещательных сетевых пакетов. Передатчиком в сетевом пакете указывается MAC-адрес назначения (Destination MAC). На него подписываются устройства-приемники передаваемых пакетов. Настройки протокола обмена, а также состав передаваемых данных, описываются в файле конфигурации подстанции на языке XML (часть стандарта МЭК 61850-6).

Нужно учитывать, что передача данных реализуется циклическим образом с возможностью задания нескольких типов временных интервалов:

1. количество выборок за период промышленной частоты (SmpPerPeriod);

2. количество выборок за секунду (SmpPerSec);

3. количество секунд за выборку (SecPerSmp).

Для передачи параметров, которые рассчитаны за 200 мс (10 периодов промышленной частоты), используется тип временного интервала SmpPerSea

Структура цифровой подстанции представлена на Рис.2.

Рисунок 2 — Структура цифровой подстанции

В соответствии со структурой подстанции и параметрами сообщений, передаваемых по вышеуказанным протоколам, можно сделать вывод, что на сеть подстанции ложится серьезная нагрузка. В результате такой нагрузки снижается резерв пропускной способности сети и увеличивается время доставки сообщений.

Для решения описанной проблемы предлагается использовать следующие методы:

1. Синхронизация с использованием протокола РТР.

2. Резервирование с использованием протоколов «бесшовного» резервирования (ШК/РКР).

3. Проектирование с помощью инструментов, поддерживающих

1. Приоритезация (VLAN Priority)

2. Метки идентификации (VLAN ID)

3. Метки качества обслуживания (QoS)

Таким образом, в результате выполнения задач, описанных в предлагаемой статье, появится эффективная методика, следуя которой можно значительно уменьшить время доставки информации по перечисленным протоколам, а также минимизировать потери пакетов данных. Это является весьма актуальной и важной проблемой, которая стоит сегодня в сфере информационных технологий и систем связи и решение которой значительно повысит производительность и эффективность работы систем по передачи данных, а значит, будет полезно большому количеству людей, имеющих дело с этими системами.

1. Сети и системы связи на подстанциях. Часть 7. Базовая структура связи для подстанций и линейного оборудования. Раздел 4. Совместимые классы логических узлов и классы данных. Технические требования: ГОСТ Р МЭК 61850-7-4-2011. — Введ. 2011-12-13.

2. Аношин А.О., Головин А.В. СТАНДАРТ МЭК 61850. Информационная модель устройства // Новости ЭлектроТехники №5 (77)

3. Аношин А.О., Головин А.В. Стандарт МЭК-61850. / Электротехника. -2013. — № 2. — С. 80.

4. Протокол Sampled Values [электронный ресурср]/

http://digitalsubstation.com/blog/2013/08/21/protokol-ie-61850-9-2/ (дата обращения

LIST OF REFERENCES

1. Networks and communication systems at substations. Part 7. Basic communication structure for substations and line equipment. Section 4. Compatible logical node classes and data classes. Technical requirements: GOST R IEC 61850-7-4-2011. — Introduction. 2011-12-13.

Цифровые подстанции. Российские и зарубежные: НТД, опыт, примеры

alt

В 2017 году на Петербургском международном экономическом форуме президент Владимир Путин призвал сформировать принципиально новую, гибкую нормативную базу для внедрения цифровых технологий во все сферы жизни [rg.ru]. Конечно же, указанное коснулось и сферы электроэнергетики. На сегодня со стороны компании ПАО «Россети» принята новая НТД, сформирована концепция «Цифровая трансформация 2030». Появились такие понятия как «Цифровая подстанция», «Цифровой питающий центр», «Цифровая электрическая сеть». Давайте разберемся с основными требования к таким объектам и рассмотрим примеры реализации

СОДЕРЖАНИЕ

1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Цифровая подстанция (ЦПС) – автоматизированная подстанция, оснащенная взаимодействующими в режиме единого времени цифровыми информационными и управляющими системами и функционирующая без присутствия постоянного дежурного персонала [п.3.27, СТО 34.01-21-004-2019].

Цифровая подстанция (ЦПС по терминологии НТП ПС 2017) – это подстанция с высоким уровнем автоматизации, в которой практически все процессы информационного обмена между элементами ПС, а также управление работой ПС осуществляются в цифровом виде на основе стандартов серии МЭК 61850 [п.3 СТО 56947007-29.240.10.248-2017].

Цифровой питающий центр – цифровая подстанция 110-220 кВ и (или) узловая цифровая подстанция с высшим напряжением 35 кВ, от РУ СН и НН которой электрическая энергия распределяется по электрической сети [п.3.28, СТО 34.01-21-004-2019]

Цифровая электрическая сеть – Организационно-техническое объединение электросетевых объектов, оснащенных цифровыми системами измерения параметров режима сети, мониторинга состояния оборудования и линий электропередачи, защиты и противоаварийной автоматики, сетевого и объектового управления, информационный обмен между которыми осуществляется по единым протоколам с обеспечением синхронизации по времени [п.3.29, СТО 34.01-21-004-2019]

– совокупность средств вычислительной техники, программно-вычислительного обеспечения и средств создания и заполнения машинной информационной базы при вводе системы в действие, достаточных для выполнения одной или более задач АСУ ТП [п.3, СТО 56947007-25.040.40.236-2016]

2. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ ЦИФРОВОЙ ПОДСТАНЦИИ

Термин «Цифровая подстанция» (ЦПС) обозначает особое (цифровое) построение и взаимодействие технологических систем подстанции (таких как РЗА, АСУ ТП, АИИС КУЭ и т.д.) внутри каждой системы, между системами, а также между системами и первичным оборудованием.

Работа и управление такими подстанциями базируется на программно-техническом комплексе цифровой подстанции (ПТК ЦПС), разделенном на структурные уровни (процесса, присоединения и подстанции), которые объединяются между собой посредством сегментов локально-вычислительной сети Ethernet.

УРОВЕНЬ ПОДСТАНЦИИ
шина подстанции
УРОВЕНЬ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
шина процесса
УРОВЕНЬ ПРОЦЕССА

Сегменты локально-вычислительной сети (ЛВС) образуют шину процесса, объединяющую уровни процесса и присоединения, и шину подстанции, объединяющую уровни присоединения и подстанции.

Структурная схема ПТК цифровой подстанции

alt

Нажмите для просмотра

Схема приводится для справок. Оригинал см.: СТО 34.01-21-004-2019

3. УРОВЕНЬ ПРОЦЕССА

НАЗНАЧЕНИЕ:

  • организация сопряжения основного оборудования с ПТК ЦПС;
  • сбор дискретной информации с «сухих» контактов основного оборудования (например, с блок-контактов коммутационных аппаратов) и её оцифровка
  • сбор аналоговой информации (например, с измерительных трансформаторов тока и напряжения) и её оцифровка (при применении оптических измерительных трансформаторов сигнал изначально оцифрован);
  • передача собранной информации на вышестоящие уровни;
  • получение команд управления от вышестоящих уровней в цифровом виде с воздействием на основное оборудование (например, включить/отключить коммутационный аппарат).

СОСТАВ:

В случае отсутствия у основного оборудования встроенного цифрового интерфейса для оцифровки сигналов используют устройства сопряжения с объектом (УСО):

  • ПАС (AMU) – преобразователи аналоговых сигналов;
  • ПДС (DMU) – преобразователи дискретных сигналов.

Указанные устройства могут быть отдельными или объединенными в одном комбинированном устройстве.

УСО для оцифровки не требуется, если цифровой интерфейс изначально встроен в основное оборудование (например, сбор аналоговых сигналов выполняется напрямую с оптических трансформаторов тока и напряжения).

Оба варианта соответствуют СТО 34.01-21-004-2019 [см. п.5.2.1].

На практике часто встречаются решения где устройства уровня процесса совмещены с устройствами уровня присоединения (подробнее см. подраздел e)

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ:

От основного оборудования до преобразователей аналоговых и дискретных сигналов (ПАС и ПДС) информация передается по контрольному кабелю с медными жилами. ПАС и ПДС стремятся установить максимально близко к основному оборудованию.

Далее от ПАС и ПДС по волокно-оптическим кабельным линиям информация поступает в коммутаторы шины процесса.

Аналоговая информация в цифровом виде передается в виде потока данных SV-поток.

SV-поток состоит из кадров Ethernet в соответствии со спецификацией МЭК 61850-9-2LE.

В соответствии со спецификацией МЭК 61850-9-2LE с учетом МЭК 61869:

  • поток данных для целей релейной защиты и автоматики и измерений включает в себя 1 набор данных (4 тока, 4 напряжения), за период осуществляется передача 80 кадров Ethernet
  • поток данных для целей коммерческого учета и контроля качества электроэнергии включает в себя 8 наборов данных (в каждом по 4 тока, 4 напряжения), за период осуществляется передача 32 кадров Ethernet.

Дискретная информация в цифровом виде передается с использованием протокола МЭК 61850-8-1 GOOSE, MMS.

4. УРОВЕНЬ ПРИСОЕДИНЕНИЯ

НАЗНАЧЕНИЕ:

  • прием и обработка данных, получаемых от устройств уровня присоединения;
  • выполнение соответствующих алгоритмов прикладных функций с передачей режимной и диагностической информации на уровень шины подстанции;
  • обмен информацией с уровнями процесса.

СОСТАВ:

  • интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ), выполняющие прикладные функции АСТУ, включая РЗА, для соответствующего основного оборудования [п.5.2.1, СТО 34.01-21-004-2019].

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ:

Мгновенные значения тока и напряжения принимаются ИЭУ по протоколу МЭК 61850-9-2 SV по шине процессов по волокно-оптическим линиям связи.

Обмен дискретной информацией с устройствами уровня процесса и другими устройствами уровня присоединения происходит по протоколу МЭК 61850-8-1 GOOSE по волокно-оптическим линиям связи.

5. УРОВЕНЬ ПОДСТАНЦИИ

НАЗНАЧЕНИЕ:

  • консолидация информации, получаемой от уровня присоединения;
  • обеспечение скоординированного выполнение команд оператора непосредственно на подстанции и/или команд вышестоящего уровня управления с формированием управляющих воздействий с использованием сервисов МЭК 61850-8-1:
    • для управления основным оборудованием;
    • для управления программными ключами в составе АСТУ;
    • для изменения уставок

    СОСТАВ:

    • сервера АСУ ТП / ССПИ;
    • сервера и АРМ SCADA системы ЦПС;
    • устройства регистрации параметров переходных процессов в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах;
    • средства информационной интеграции цифровой ПС и ЦУС в соответствии с МЭК 61850-90-2

    Данный уровень должен быть образован серверами, объединенными в отказоустойчивый кластер, на платформе виртуализации которого работают сервера и АРМ уровня подстанции.

    СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ:

    Сервера уровня подстанции взаимодействуют с устройствами уровня присоединения по ЛВС шины подстанции, используя сервисы клиентсерверного обмена в соответствии с МЭК 61850-8-1, обмен файловой информацией производиться с использованием сервисов файлового обмена в соответствии с МЭК 61850-8-1.

    Для информационного обмена ЦПС с вышестоящими уровнями управления (ЦУС) и бизнес-аналитики для передачи оперативной и неоперативной информации в обоих направлениях сервера ССПИ должны поддерживать сервисы клиент-серверного обмена в соответствии с МЭК 618508-1.

    Для информационного обмена с существующими (унаследованными) SCADA системами, не имеющими возможности клиент-серверного обмена в соответствии с МЭК 61850-8-1, сервера ССПИ должны в том числе поддерживать протокол МЭК 60870-5-104 [п.5.2.3, СТО 34.01-21-004-2019].

    6. СОВМЕЩЕНИЕ И РАЗДЕЛЕНИЕ УРОВНЕЙ ПРОЦЕССА, ПРИСОЕДИНЕНИЯ И ПОДСТАНЦИИ

    В соответствии с [п.5.2.8, СТО 34.01-21-004-2019], учитывая текущий технологический уровень и отработанные технологии, обеспечивается надежное и эффективное применение следующих технических решений:

    • раздельная реализация уровней процесса и присоединения для напряжения 110/220 кВ;
    • совмещение уровней процесса и присоединения для напряжения 6, 10, 20 и 35 кВ на базе унифицированных многофункциональных терминалов РЗА/контроллеров присоединений;
    • отдельная реализация уровня подстанции [п.5.2.8, СТО 34.01-21-004-2019].

    7. ШИНА ПРОЦЕССА

    Варианты топологии локально-вычислительной сети шины процесса [п.5.2.4, СТО 34.01-21-004-2019]:

    • «Двойная звезда» с использованием протокола МЭК 62439-3 PRP;
    • «Двойное кольцо» с использованием протокола МЭК 62439-3 PRP/HSR.

    Основные требования в соответствии с [п.5.2.4, СТО 34.01-21-004-2019]:

    • Сегменты ЛВС шины процесса должна быть физически или логически изолированы от других сегментов ЛВС подстанции;
    • Кабельная сеть ЛВС шины процесса должна строиться на основе волоконно-оптических линий связи;
    • Тип разъемов для всех видов соединений – LC;
    • В зонах распределительных устройств и ОПУ предусматриваются пассивные оптические коммутационные панели, соединенные многожильным магистральным оптическим кабелем (оптические коммутационные панели обеспечивают распределение оптического сигнала, подведенного к ним по магистральному кабелю и портам, оборудованными разъемами, к которым подключаются коммутационные шнуры, передающие сигнал на Ethernet-порты активного сетевого оборудования цифровой ПС);
    • Для обеспечения резервирования кабельная сеть ЛВС шины процесса должна строиться по принципу полного дублирования компонентов;
    • Резервируемые оптические кабельные линии ЛВС шины процесса должны прокладываться по разным маршрутам

    Принципиальная схема подключения полевых устройств к ЛВС шины процесса

    Нажмите для просмотра

    8. ШИНА ПОДСТАНЦИИ

    Топология локально-вычислительной сети шины подстанции в пределах каждой из резервируемых сетей PRP должна обеспечивать для коммутаторов резервирование сети Ethernet на 2-ом уровне модели OSI с использованием протоколов RSTP, MRP. [п.5.2.4, СТО 34.01-21-004-2019].

    Основные требования в соответствии с [п.5.2.5, СТО 34.01-21-004-2019]:

    • Хосты ЛВС шины подстанции должны иметь резервированные подключения к двум разным коммутаторам ЛВС;
    • Протоколы резервирования 2-ого и 3-его уровня модели OSI должны обеспечивать защиту от одиночного отказа коммутаторов/маршрутизаторов, а также кабельных соединений ЛВС шины подстанции;
    • При необходимости в составе ЛВС шины подстанции предусматриваются резервированные по протоколу VRRP маршрутизирующие коммутаторы, обеспечивающие маршрутизацию IP-трафика между сегментами ЛВС шины подстанции – серверным, ИЭУ 110-220 кВ, ИЭУ 35 кВ, ИЭУ 20, 10, 6 кВ;
    • В точке подключения ЛВС шины подстанции к узлу связи сетевой периметр технологической сети подстанции должен быть защищен кластером межсетевых экранов, работающим в режиме маршрутизации; межсетевой экран должен поддерживать гранулярный МЭК 61850-8-1 MMS, МЭК 60870-5-104;
    • Кабельная сеть ЛВС шины подстанции должна строиться на основе волоконно-оптических линий связи;
    • Допускается использование медных пассивных компонентов кабельной сети, в сегментах, обеспечивающих взаимодействие между:
      • оборудованием уровня присоединения и устройствами уровня подстанции (отдельные сегменты при обосновании);
      • устройствами уровня подстанции и средствами интерфейса человек-машина;
      • межсетевыми экранами и оборудованием связи.

      9. ПРОТОКОЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

      Рекомендуется в части применения протоколов передачи данных (и применении соответствующего оборудования) руководствоваться приведенной ниже таблицей [п.5.2.8, СТО 34.01-21-004-2019]:

      MMS, GOOSE

      Протокол SV применяется только для вводных ячеек РУ

      MMS, GOOSE

      Протокол SV применяется для вводных ячеек РУ.

      Применение протокола SV для измерений в рамках РУ может быть применено при дополнительном обосновании

      MMS, GOOSE, SV

      10. ВИРТУАЛИЗАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ УРОВНЯ ПРИСОЕДИНЕНИЯ

      Для разделения трафика (РЗА, АСУТП, АИИС КУЭ, видеонаблюдение, связь и др.), совместно использующего среду передачи, а также с целью повышения безопасности, должна использоваться технология виртуальных локальных сетей (VLAN). Разделение трафика по VLAN должно выполняться на стадии проектирования объекта с учетом приоритезации и логической сегрегации трафика. При необходимости, связь между VLAN должна осуществляться через соответствующие маршрутизаторы [п.8.1, СТО 34.01-21-004-2019].

      11. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ РЗА ЦИФРОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

      На цифровых подстанциях РЗА является одной из подсистем ПТК ЦПС, функционирующей на уровне присоединения и подстанции.

      На уровне «Присоединения» РЗА организуется на базе интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ), являющихся специализированными промышленными компьютерами (в качестве них могут выступать терминалы РЗА, выполняющие функции контроллера присоединения, контроллеры ячеек). Между собой устройства обмениваются данными по шине процесса, аналогично происходит и обмен информацией с первичными преобразователями дискретных и аналоговых сигналов.(ПДС и ПАС):

      • дискретная информация по протоколу МЭК 61850-8-1 (GOOSE);
      • аналоговая информация по протоколу МЭК 61850-9-2 (SV).

      В качестве первичных датчиков цифровых измерительных трансформаторов для цифровой ПС могут использоваться оптические датчики тока и напряжения на основе магниточувствительного оптоволокна, либо электромагнитные ТТ, электромагнитные или емкостные ТН [п.20.2, СТО 34.01-21-004-2019].

      При реконструкции ПС допускается использовать измерительные ТТ и ТН с аналоговым выходом с использованием цифровых преобразователей при соответствующем экономическом обосновании [п.20.3, СТО 34.01-21-004-2019].

      Программное обеспечение, установленное на уровне вычислительной сети ПТК цифровой ПС, должно представлять собой модульное программное обеспечение, в котором каждый программный модуль отвечает за минимальную функцию (виртуальное реле или логический узел в терминах в соответствии с требованиями МЭК 61850) [п.8.12, СТО 34.01-21-004-2019].

      Из комбинации программных модулей может быть составлена необходимая функция защиты и (или) автоматизации, при этом уровень вычислительной сети ПТК цифровой ПС представляет собой совокупность обеспечивающих функционирование виртуальных устройств защиты и управления [п.8.13, СТО 34.01-21-004-2019].

      Все связи между устройствами и описание ИЭУ должны быть представлены в виде SCD файла, а логические узлы с привязкой к элементам однолинейной схемы в виде SSD файла, разрабатываемых в специализированных программах.

      12. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

      Достоинствами построения оптимального цифровой ПС являются:

      • значительно меньшее общее количество и номенклатура оборудования в составе ПТК, что снижает объем профилактического обслуживания, сокращает время восстановления работоспособности и требуемые объемы ЗИП;
      • значительное снижение количества кабельных связей в составе комплекса и их полная диагностируемость, что ускоряет поиск неисправности и сокращает время восстановительного ремонта;
      • сокращение времени поставки и затрат на поставку ЗИП за счет использования вычислительных и коммуникационных средств общего назначения (серверов) в составе системы, которые имеют более низкую стоимость по сравнению со специальными, при более высокой производительности;
      • снижение объемов и частоты периодических проверок за счет организации более оптимального планирования профилактических и необходимых восстановительных работ [п.8.1, СТО 34.01-21-004-2019].

      Недостатками применения ЦПС могут появиться в случае применения не оптимального ПТК с дублированием, что приведет к увеличение стоимости оборудования.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.