Решения Moxa для цифровых подстанций. Стандарт МЭК 61850

Эталонная система автоматизации подстанции

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

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

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

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

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

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

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

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

Протоколы передачи данных на подстанциях МЭК 61850

Стандартом определены основные протоколы обмена данными на подстанции:

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

Требования к сетевым устройствам подстанции

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

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

Требования к надежности работы систем подстанции:

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

Коммуникационное оборудование Moxa для энергетических подстанций

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

Технологии, позволяющие коммутаторам Moxa построить эффективную систему на подстанции:

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

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

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

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

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

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

GOOSE Check – мониторинг GOOSE сообщений

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

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

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

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

Протоколы PRP/HSR – Бесшовное резервирование сети

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

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

• PRP (Parallel Redundancy Protocol) – протокол параллельного резервирования

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

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

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

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

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

IEC 61850 QoS – Приоритезация трафика

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

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

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

Тип пакетов в очереди МЭК 61850: GOOSE и SMV

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

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

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

IEEE 1588 v2 – Синхронизация времени

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

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

Поддерживаемое оборудование: Коммутаторы серий PT-G503, PT-508, PT-510, PT-7528, PT-7728/PT-7828, PT-G7728/7828 и RKS-G4028

Подробнее о IEEE 1588 v2 - в нашей статье Синхронизация точного времени. Стандарт IEEE 1588. 

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

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

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

Преимущества использования MMS:

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

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

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

Технология VLAN – Эффективная передача данных

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

• Снижение нагрузки на магистральных портах

Настройка сетевых устройств для управления пропускной способностью магистральных портов

• Фильтрация трафика

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

• Снижение нагрузки на подключенные устройства

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

Поддерживаемое оборудование: Все управляемые коммутаторы Moxa

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

Руководство по коммуникационным и вычислительным решениям для систем автоматизации подстанций