CC BY
19X Международная научно-практическая конференция УДК 621.311.4-52
Аниферов Артем Валерьевич Aniferov Artem Valeryevich Ивахно Дмитрий Олегович Ivahno Dmitry Olegovich Прохоров Денис Николаевич Prokhorov Denis Nikolaevich Студенты Students
Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова
I. N. Ulyanov Chuvash State University
ВЫЗОВЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ CHALLENGES OF DIGITALIZATION OF ENERGY FACILITIES
Аннотация, при реконструкции или «построении» цифровой подстанции перед инженерами встает ряд задач, которые необходимо решить. Причем так как практически каждая подстанция является уникальной - каждая требует отдельной проработки каждой из задач. Такими задачами является повышение требований к точности синхронизации, требования к резервированию передачи информации, установка дополнительного дорогостоящего оборудования [1-3], обучение персонала и другие. Данный доклад посвящен рассмотрению вариантов обеспечения синхронизации и резервирования.
Abstract: when reconstructing or "building" a digital substation, engineers face several tasks that need to be solved. Moreover, since almost every substation is unique -each requires a separate study of each of the tasks. Such tasks include increasing the requirements for synchronization accuracy, requirements for reserving information transmission, installing additional expensive equipment, training personnel, and others. This report is devoted to the consideration of options for ensuring synchronization and redundancy.
Ключевые слова: цифровая подстанция, МЭК 61850, синхронизация, резервирование.
Keywords: digital substation, IEC 61850, synchronization, reservation.
«Научные исследования и инновации» Повышение требований к точности синхронизации Первая редакция МЭК 61850-9-2 не предполагала использования протоколов резервирования, в связи с чем формат Ethernet-кадра, описанный первой редакцией, не включал соответствующих полей. Протокол синхронизации времени не описан самим стандартом МЭК 61850-9-2 вовсе [4].
Глава МЭК 61850-5 содержит лишь требования к точности синхронизации, однако также не оговаривает каким образом должна достигаться эта точность. Единственным документом, прямо указывающим на использованием синхроимпульса 1PPS являются технические требования МЭК 61850-9-2 LE. Следует отметить, что данная спецификация не предполагала использование протокола синхронизации IEEE 1588 v2, профиль для электроэнергетики которого появился уже после принятия МЭК 61850-9-2LE.
Протокол синхронизации времени NTP, SNTP Network Time Protocol — сетевой протокол для синхронизации внутренних часов компьютера с использованием сетей с переменной латентностью, основанных на коммутации пакетов. Система NTP чрезвычайно устойчива к изменениям латентности среды передачи.
Время, представляется в системе NTP 64-битным числом, состоящим из 32-битного счетчика секунд и 32-битного счетчика долей секунды, позволяя передавать время в диапазоне 232 секунд, с теоретической точностью 2-32 секунды. Поскольку шкала времени в NTP повторяется каждые 232 секунды (136 лет), получатель должен хотя бы примерно знать текущее время (с точностью 68 лет). Также следует учитывать, что время отсчитывается с полуночи 1 января 1 900 года, а не с 1970, поэтому из времени NTP нужно вычитать почти 70 лет (с учетом високосных лет), чтобы корректно совместить время с Windows или Unix-системами.
X Международная научно-практическая конференция В течение последних лет протокол NTP широко применяется в рамках энергообъектов. При применении доступных на рынке серверов времени и клиентов (например, устройств РЗА), обладающих поддержкой данного коммуникационного протокола, достижима точность синхронизации времени в диапазоне от 1 до 4 мс. Однако одним из условий обеспечения такой точности является разработка правильной топологии локальной вычислительной сети Ethernet, в которой обеспечивается соответствие и постоянство времен распространения сообщений синхронизации времени от клиента к мастеру и в обратном направлении.
Значительным преимуществом протокола NTP над IRIG-B является то, что передача времени производится в формате UTC. Это удовлетворяет требованиям таких стандартов как МЭК 61850 и IEEE 1815 (DNP), которые требует передачу меток времени событий в формате UTC. При необходимости отображения местного времени на дисплее устройства РЗА требуется ручная установка часового пояса с учетом соответствующего перехода на летнее время. Протокол NTP обеспечивает возможность одновременного использования нескольких серверов времени одним и тем же клиентом для более точной и надежной временной синхронизации. Однако данный протокол не позволяет обеспечить микросекундную точность синхронизации, которая требуется для СМПР и устройств сопряжения с шиной процесса МЭК 61850-9-2.
Помимо NTP, существует упрощенная версия этого протокола - SNTP (Simple Network Time Protocol). Он реализован для синхронизации времени конечным клиентом, поскольку все преимущества протокола NTP проявляются именно в сети серверов, а для получения показаний конечным пользователем NTP излишне сложен. Поэтому для синхронизации времени конечными
компьютерами и серверами был предложен протокол SNTP (SNTPv3:
108
«Научные исследования и инновации» 1992 г., RFC1361 и 1995 г., RFC1769; SNTPv4 включён как
подпротокол в NTPv4).
На самом деле SNTP - это не новый протокол, а способ использования NTP-пакетов и NTP-серверов в приложениях, где не требуется высокоточное время, либо оно недостижимо. В этом случае клиент использует только часть информации UDP-пакета NTP-сервера. SNTP-клиент может работать с любыми версиями NTP-серверов, и кроме них - с особыми SNTP-серверами, которые в откликах заполняют только необходимые данные UDP-пакета.
Таким образом, "облегченный" SNTP образует не сеть синхронизирующихся серверов, а пары "клиент-сервер". Любой NTP-сервер является одновременно SNTP-сервером. Клиент, который не передаёт полученное время дальше, может работать как NTP- или SNTP-клиент, в зависимости от условий. Для SNTP, как и для NTP, зарезервирован 123-й UDP-порт.
Протокол синхронизации времени 1PPS
1-PPS (один импульс в секунду) может использоваться для обеспечения достаточно точной временной синхронизации, однако не предоставляет информацию об астрономическом времени. На сегодняшний день этого достаточно для реализации комплексов РЗА с использованием шины процесса, однако информация о времени, вероятно, потребуется в будущем для проставления меток времени событиям или криптографической аутентификации сообщений.
Использование данного способа синхронизации времени предусмотрено стандартом МЭК 60044-8 и также введено в технических требованиях по реализации цифрового интерфейса для измерительных трансформаторов (известных как МЭК 61850-9-2LE). Разрабатываемый в настоящее время стандарт МЭК 61869-9 также допускает возможность использования данного метода синхронизации
X Международная научно-практическая конференция устройств по времени по выделенной волоконно-оптической линии
связи.
1-PPS требует наличие выделенной сети для распространения сигнала. В качестве физической среды передачи данных может использоваться либо электрическая линия связи (коаксиальная/витая пара), либо ВОЛС (многомод/одномод).
Протокол синхронизации времени PTP
Стандарт IEEE Std 1588-2008 определяет вторую версию протокола PTP, известную как PTPv2 или 1588v2. Данный протокол обеспечивает высокую точность синхронизации времени, которая достигается путем фиксации меток времени сообщений синхронизации PTP на интерфейсах Ethernet на аппаратном уровне. Использование этих данных позволяет учитывать времена распространения сообщений синхронизации по сети и их обработки серверами времени и клиентами. Процедура проставления меток времени на аппаратном уровне не оказывает влияния на функционирование других коммуникационных протоколов, существующих в рассматриваемой сети Ethernet, поэтому этот же порт может использоваться для трансляции данных согласно протоколам стандарта МЭК 61850, DNP3, МЭК 60870-5-104, Modbus/IP и другим коммуникационным протоколам. Наличие возможности проставлять метки времени на аппаратном уровне приводит к значительному удорожанию коммутаторов Ethernet. Что касается поддержки протокола PTP в устройствах РЗА, то лишь последние модификации устройств некоторых фирм-производителей поддерживают данный протокол, иногда это доступно лишь только в качестве опции.
Протокол PTP обеспечивает возможность наличия в сети
нескольких устройств, способных выступать в качестве серверов
времени; при этом предполагается, что все они участвуют в
голосовании между собой на выбор самых точных часов -
110
«Научные исследования и инновации» гроссмейстерских. Если вдруг гроссмейстерские часы отказывают или же ухудшаются показатели их функционирования, роль гроссмейстерских часов на себя могут взять другие часы, претендующие на эту роль. Количество времени, которое уходит на данную процедуру, может быть различным, однако если настройки протокола PTP (также именуемые профилем) оптимизированы для его применения на объектах электроэнергетики, то на это уходит не более 5 секунд.
Протокол PTP является чрезвычайно гибким и может быть использован в различных областях, где требуется временная синхронизация, обеспечивая точность до 10 нс.
Более высокая точность стала достижимой с появлением второй версии протокола, в которой было введено понятие прозрачных часов, роль которых выполняют коммутаторы Ethernet. Прозрачные часы осуществляют измерение времени прохождения сообщений синхронизации через коммутаторы, которое может изменяться в зависимости от информационной загрузки сети. Информация об измеренном времени передается другим устройствам на пути распространения сообщения синхронизации. Указанный механизм позволяет достичь высокой точности синхронизации времени в рамках локальной сети Ethernet. Использование прозрачных часов означает, что сообщения протокола синхронизации PTP не требуют приоритезации относительно другого трафика, имеющегося в сети, что упрощает процесс проектирования сети и настройки сетевого оборудования.
Обеспечение резервирования передачи данных
Цифровые сети Ethernet становятся неотъемлемой частью систем
автоматизации электрических станций и подстанций. Большей частью,
это обусловлено началом широкого применения протоколов обмена
данными стандарта МЭК 61850 для обмена данными между
111
X Международная научно-практическая конференция интеллектуальными электронными устройствами (ИЭУ). Повреждение линий связи в сети Ethernet подстанции может приводить к отказу обмена данными между ИЭУ и, как следствие, к некорректной работе системы [5].
Для исключения нарушения обмена данными в сетях Ethernet могут быть применены различные протоколы резервирования:
Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP);
Parallel Redundancy Protocol (PRP);
High Availability Seamless Ring (HSR).
Поддержка указанных протоколов резервирования должна осуществляться коммуникационными интерфейсами устройств релейной защиты, автоматики и управления.
Выбор того или иного протокола резервирования передачи данных должен осуществляться исходя из требований стандарта МЭК 61850 и сопровождающих его документов в части допустимых времен восстановления связи между устройствами.
Протокол Rapid Spanning Tree Protocol
RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol - «быстрый» протокол связующего дерева) - широко используемая в системах промышленной автоматизации ускоренная версия протокола резервирования STP. Протокол RSTP, описанный в спецификации комитета IEEE 802.1W, по своему принципу действия преобразует сеть произвольной топологии в древовидную топологию.
При использовании данного протокола можно увеличить число
резервных каналов связи между устройствами, без него - это
невозможно, поскольку два или несколько активных маршрутов между
мостами сети будут способствовать возникновению broadcast-шторма,
т.е. процесса бесконечной передачи пакетов данных по сети. При этом
локальная сеть оказывается заблокированной и ОД между ИЭУ
становится невозможным. Применение протокола RSTP позволяет
112
«Научные исследования и инновации» логически блокировать резервные каналы связи до момента повреждения в сети.
Первый шаг к построению активной конфигурации сети, использующей протокол резервирования RSTP, - определение «корневого» моста, от которого впоследствии будет строиться топология «связующего дерева». Для этого между мостами происходит обмен служебными сообщениями BPDU (Bridge Protocol Data Unit). Изначально каждый мост является «корневым» и выполняет функцию отправки служебных сообщений, в которых значения идентификаторов «корневого» моста Root ID и моста Bridge ID равны. Идентификатор Bridge ID указывает на мост - источник рассматриваемого служебного сообщения. Далее каждым из мостов производится анализ полученных служебных сообщений для определения моста, претендующего на звание «корневого».
В большей степени на это звание всегда претендует мост с меньшим значением идентификатора «корневого» моста Root ID. Если мост сети получает служебное сообщение со значением идентификатора «корневого» моста, меньшим его собственного, он перестаёт считать себя «корневым».
При этом в формируемом им служебном сообщении осуществляется замена его собственного значения на значение идентификатора моста Root ID, претендующего на звание «корневого».
Как только процедура выбора завершается, в сети остаётся только один «корневой» мост. Все его порты являются назначенными и функционируют в режиме обучения. Одновременно с выбором «корневого» моста происходит назначение ролей портов «некорневых» мостов.
Порты мостов могут получать одну из пяти ролей:
«корневой» порт Root Port, связанный с «корневым» мостом наиболее коротким маршрутом;
X Международная научно-практическая конференция назначенный порт Designated Port. Порт одного из двух соседних мостов может стать назначенным, если этот мост имеет более низкий идентификатор. Все порты «корневого» моста с наиболее низким идентификатором - назначенные;
альтернативный порт Alternate Port связан с «корневым» мостом более коротким маршрутом, чем остальные порты (кроме «корневого»). При возникновении неисправности на «корневом» порте его роль может быть мгновенно передана альтернативному порту;
резервный порт BackUp Port, соединённый с сегментом сети посредством двух портов, присваивает одному из них роль назначенного, другому - резервного с более высоким значением идентификатора порта Port ID;
граничный порт EdgePort - к нему подключается ИЭУ. Он не участвует в протоколе RSTP.
После назначения «корневого» моста формируется активная топология «связующего дерева» сети ОД по процедуре «Предложение/Соглашение». Её формирование начинается от «корневого» моста, передающего соседним с ним мостам служебные сообщения с установленным флагом «Предложение». Тогда эти мосты переводят свои порты (кроме «корневого») из режима обучения в режим изоляции, затем они передают «корневому» мосту служебные сообщения с установленным флагом «Соглашение». Только после этого «корневой» мост переводит свои назначенные порты в активный режим.
Далее аналогичный обмен «Предложение/Соглашение» происходит между следующей парой «некорневых» мостов. При этом broadcast-шторм в сети не появляется. «Волна» предложений и соглашений проходит по всей сети, оставляя после себя активную топологию, по которой осуществляется ОД между устройствами РЗА сети.
«Научные исследования и инновации»
При дальнейшем функционировании сети основное назначение служебных сообщений, отправляемых только «корневым» мостом, -обнаружение изменений в активной топологии сети. Например, в случае повреждения канала связи или одного из мостов остальные деблокируют некоторые свои порты для восстановления связи с устройствами, которые присоединены к повреждённому мосту.
Протокол Parallel Redundancy Protocol
Протокол параллельного резервирования PRP (Parallel Redundancy Protocol) описан в главе 3 стандарта МЭК 62439. Данный протокол обеспечивает восстановление связи между устройствами после повреждения одного из элементов локальной сети без временных задержек. Принцип работы протокола резервирования PRP опирается на полное дублирование локальной сети LAN. Устройство с поддержкой протокола резервирования PRP обладает двумя портами связи (DANP Double attached node implementing PRP), каждый порт устройства присоединен к своей копии локальной сети LAN (А или В). При этом копии локальных сетей полностью независимы друг от друга (повреждение в сети А не влияет на работу сети В) и могут различаться или совпадать по структуре топологии сети (кольцевая, древовидная, ячеистая и т.д.). Таким образом, протокол резервирования PRP можно использовать для сетей различных топологий.
Устройство-издатель DANP отправляет дублированные пакеты данных одновременно через обе локальные сети А и В. В устройствах-подписчиках и DANP пакеты данных, принимаемые обоими портами, сравниваются на канальном уровне и представляются в стеке как одиночный сетевой интерфейс, т.е. одна из копий пакета данных отклоняется. Неважно, какой из пакетов данных будет принят, а какой отклонен, т.к. они полностью идентичны.
Устройство-подписчик (SAN - Singly attached node, устройство с
одним портом связи), подключенное к сети с поддержкой протокола
115
X Международная научно-практическая конференция PRP с помощью устройства резервирования RedBox, принимает только одну из копий пакетов данных.
Даже в случае полного выхода из строя одной из локальных сетей (например, сети А) связь между устройствами «Издатель - Подписчик» не нарушается, т.к. устройство -подписчик DANP принимает тогда копии пакетов данных из локальной сети В.
Протокол High-Availability Seamless Ring
HSRP (High - availability Seamless Redundancy Protocol) -протокол резервирования, применяющийся в сетяхEthernet (IEEE 802.3) с высокой готовностью функционирования, является расширенной версией протоколаPRP.
Впервые протокол HSR был описан в главе стандарта МЭК 62439-3 и включен во 2-ю версию стандарта МЭК 61850 в качестве средства резервирования сетей передачи данных. Протокол HSR удовлетворяет наиболее критичным требованиям к резервированию и системам реального времени.
Протокол HSR использует принцип дублирования пакетов данных, применяемый в протоколе PRP, однако в этом случае резервирование достигается не созданием копии сети, а использованием одного дополнительного канала связи.
Устройства с поддержкой протокола HSR DANH (Double attached node implementing HSR) имеют (по меньшей мере) два порта, через которые отправляются/принимаются дублированные пакеты данных. С помощью этих портов устройства соединяются между собой по цепочке, последнее устройство подключается к первому устройству (используется дополнительный канал связи) и, таким образом, реализуется кольцевая топология сети.
Рассмотрим передачу данных по схеме «Издатель - Подписчик»
в режиме Multicast («один - многим»). Устройство-издатель
дополнительно кодирует пакет меткой HSR и отправляет копии пакета
116
«Научные исследования и инновации» через свои порты. Копии пакетов данных приходят к устройству -
подписчику неодновременно. Это обусловлено общим числом
устройств в сети и временем передачи пакета данных с одного порта
устройства на другой. Устройство-подписчик принимает только одну
копию пакета данных, декодирует данные и передает на другой
уровень. Другая копия пакета данных отклоняется.
В режиме Multicast устройство-подписчик перенаправляет пакеты данных с одного порта на другой для дальнейшей их передачи по сети. Пакеты данных при использовании протокола HSR кодируются иначе, чем при использовании протокола PRP, для снижения задержки передачи данных через устройство DANH.
Как только копии пакетов данных прошли всю кольцевую сеть, устройство-издатель, к которому они возвратились, удаляет копии пакетов для предотвращения их циркуляции по сети и, как следствие, снижения пропускной способности сети. Для повышения надежности обмена данными между устройствами РЗА по сети Ethernet требуется применение протоколов резервирования. При этом при реализации обмена данными по протоколам MMS и GOOSE рекомендуется применение протоколов резервирования RSTP, HSR, PRP (в зависимости от требований к быстродействию выполнения функций устройствами). При реализации обмена данными между устройствами по протоколу Sampled Values рекомендуется использование протоколов резервирования HSR и PRP.
Библиографический список:
1. Глазырин А. В. Преобразователи дискретных и аналоговых сигналов на цифровой подстанции / А.В. Глазырин, Е.С. Воробьев // САПР и моделирование в современной электронике: Сборник научных трудов IV Международной научно-практической конференции,
X Международная научно-практическая конференция Брянск, 22-23 октября 2020 года. - Брянск, 2020. - С. 77-80. - DOI 10.51932/9785907271739_77.
2. Воробьев Е.С. Функциональная совместимость устройств РЗА мультивендорных цифровых подстанций / Е.С. Воробьев, В.И. Антонов, В.А. Наумов [и др.] // Релейная защита и автоматизация. -2019. - № 4(37). - С. 42-45.
3. Воробьев Е. С. Реконструкция подстанции с применением МЭК 61850 / Е.С. Воробьев, А.В. Глазырин // Современные проблемы электроэнергетики и пути их решения: Материалы V Всероссийской научно-технической конференции, Махачкала, 25-26 декабря 2019 года. - Махачкала: Информационно-Полиграфический Центр ДГТУ, 2019. - С. 162-166.
4. Воробьев Е. С. Современные решения построения цифровой подстанции среднего напряжения / Е.С. Воробьев // Современные проблемы электроэнергетики и пути их решения: Материалы V Всероссийской научно-технической конференции, Махачкала, 25-26 декабря 2019 года. - Махачкала: Информационно-Полиграфический Центр ДГТУ, 2019. - С. 200-205.
5. Воробьев Е. С. Аппроксимация потерянных отсчетов в SV-потоках / Е.С. Воробьев // Ползуновский альманах. - 2020. - № 1. - С. 14-18.
