Лекция. Протоколы передачи данных:Sampled Values, IEC 61869-9, GOOSE, MMS

Добрый день. Приветствую вас на курсе применения технологий МЭК 61850 в электроэнергетике.

Материал текущего занятия посвящён протоколам передачи данных на цифровых подстанциях и является в основном справочным.

Настоящая лекция состоит из семи частей, в которых даётся расшифровка каждому типу сообщения для передачи данных.

Подробно рассматривается структура кадра сообщения Value стандарта МЭК 61850 и производится его сравнение с перспективным стандартом для электронных измерительных трансформаторов.

Вторая часть лекции описывает протоколы ГУС и ММС. Описание каждого из протоколов заканчивается слайдом, отражающим окно настроек контроллеров семейства Арис.

В качестве справочной информации описываются настройки и возможности утилиты Wireshark в части анализа состава пакета протокола.

В отдельном разделе лекции приводится оценка загрузки коммуникационной сети при передаче различных типов сообщений.

Основными протоколами стандарта МЭК 61850 являются протоколы Sampled Values, GOOSE и MMS.

В стандарте упоминается также протокол GSSE, который схож с протоколом GOOSE, однако для начала коммуникационного обмена не требует установки соединения.

Помимо протоколов передачи данных, в коммуникационной сети цифровой подстанции могут использоваться протоколы для передачи меток времени.

Рассмотрим три основных протокола подробнее.

Согласно ранее рассмотренной модели стека сетевых протоколов OSI, протоколы GOOSE и Sampled Values, для которых критично время доставки данных, реализуются на канальном уровне.

Минуя транспортный и сетевой уровни.

Сообщения MMS представляют собой стандартный клиент-серверный протокол поверх стека TCP/IP.

Сообщения Time Sync рассылаются всем интеллектуальным электронным устройствам поверх стека UDP/IP.

Все данные, передаваемые через указанные протоколы, отображаются в кадр Ethernet.

В рамках следующего материала рассмотрим протокол полевого уровня Sampled Values, или как его называют, SV протокол.

А также сравним его с протоколом, описанным в девятой главе стандарта IEC 61869, предназначенного для электронных измерительных трансформаторов.

Протокол Sampled Values предназначен для передачи мгновенных измерений фаз токов и напряжений от измерительных преобразователей на шину процесса цифровой подстанции.

Источником высокодискретных измерений могут выступать оптические и электронные трансформаторы тока и напряжения.

А также комбинированные устройства сопряжения.

Принимающие SV потоки устройства обрабатывают измерения внутренним вычислителем, раскладывая сигнал на модуль и угол.

Стоит отметить, что передача точных значений модуля и угла для выполнения синхронизации частей энергосистемы или генераторов также возможна посредством GOOSE сообщений.

Описание протокола Sampled Values приводится в главе 9.2 стандарта, которая содержит непосредственно сам коммуникационный профиль и структуру сообщения.

Позже стандарт был дополнен техническими требованиями 9.2 LE Light Edition.

Которые улучшили совместимость устройств между собой.

В технических требованиях появилась структура информационной модели устройства и был прописан набор передаваемых данных.

Кроме того, как было упомянуто в обзоре стандарта, технические требования, в зависимости от решаемой задачи, зафиксировали частоту дискретизации сигнала.

И наконец, были прописаны способы синхронизации устройств.

В последнее время в измерительное оборудование и программно-аппаратные комплексы реального времени постепенно начал внедряться международный стандарт IEC 61869.

В цифровой подстанции он позиционируется как логическое продолжение технических требований стандарта 9.2 LE, сохраняя схожую структуру кадра.

Основные отличия оцениваются следующими критериями.

В первую очередь, вместо жёстко регламентированных точек дискретизации на период и числа передаваемых точек в пакете, стандарт 61869 позволяет гибко настраивать эти параметры.

Корпоративным профилем ФСК ЕЭС определены следующие параметры передачи измерений, а именно: дискретизация 4800 Гц с двумя точками измерений в пакете для релейной защиты и автоматики.

И 14400 Гц с шестью точками измерений в пакете для учёта и анализа качества электрической энергии.

Другие отличия заключаются в поддержке гигабитных сетей для передачи измерений и сетевого протокола точной синхронизации PTP.

Также в стандарте 61869 регламентируются времена доставки данных для нужд вторичных устройств.

Передача потоков Sampled Values на канальном уровне требует настройки MAC-адресов.

В зависимости от числа точек дискретизации, диапазон адресов для пятого и шестого октетов, согласно стандарту МЭК 61850, представлен на слайде.

Поскольку корпоративный профиль ФСК опирается на стандарт IEC 61869, диапазон MAC-адресов задаётся не только в зависимости от частоты дискретизации сигнала.

Но и от набора передаваемых сигналов.

Идентификационная метка сообщения, указанная в столбце Application ID, позволяет разделять высокодискретные потоки.

Имеющие один и тот же источник с одним MAC-адресом.

Согласно главе 9.2 стандарта IEC 61850, структуру Ethernet-кадра можно разделить на три уровня.

Первый уровень - корневой.

Второй уровень, который вложен в первый, содержит блоки данных прикладного уровня.

Непосредственно измерения располагаются в третьем уровне, вложенном во второй.

Рассмотрим их подробнее.

Поскольку для передачи данных по протоколу Sampled Values используется Ethernet, кадр потока содержит все его основные составляющие, рассмотренные ранее.

Поле Preamble используется для синхронизации приёмопередатчиков.

Длина данного поля - 7 байт.

Каждый байт содержит последовательность битов.

Старший бит расположен в верхнем левом углу.

Младший - в нижнем правом.

Поле Start of Frame, восьмой байт пакета, содержит последовательность битов и указывает на начало пакета.

Далее следуют MAC-адреса приёмника и передатчика.

Область Priority Tagged используется для передачи метки приоритета.

В этой области поле TPID указывает, какой протокол используется для тегирования.

Поле User Priority используется для задания приоритета передаваемого трафика.

Поле CFI указывает на формат MAC.

Поле VID указывает, какой сети принадлежит область.

Поле EtherType определяет используемый тип сообщения.

Поле APPID используется для разделения сообщений.

Поле Length содержит значение суммарной длины следующих за ним полей, включая зарезервированные поля.

Область APDU содержит протокольные блоки данных прикладного уровня с измерениями.

Завершает кадр поле, содержащее контрольную сумму для проверки корректности передачи.

Каждое поле области APDU состоит из трёх значений: метки, длины и самого значения.

Количество передаваемых точек измерений в пакете содержится в полях Number of ASDU.

Далее следует область Sequence, содержащая информацию об измеренной точке и само измерение.

Число таких областей равно числу точек, передаваемых в кадре.

Основными полями области Sequence of ASDU являются: номер выборки, метка наличия, синхронизация.

И поле Sequence of Data, содержащее непосредственно значения измерений тока и напряжения.

Кроме того, область содержит идентификатор мгновенных значений, знание которого является необходимым при настройке подписки устройства на приём SV-потока.

Набор измерений Data Set внутри кадра содержит информацию о мгновенных значениях токов и напряжений фаз и нейтрали, а также об их качестве.

Каждое измеренное значение кодируется восьмибайтовым кодом вместе с измерением, кодируется значение масштабного коэффициента.

Позволяющего передавать измерения в первичных величинах.

Два других идентификатора OPB и Test отвечают, соответственно, за сервисные функции принудительной блокировки изменения значения.

И передачу тестовых значений измерений с блокировкой выходных устройств цепей.

С блокировкой выходных цепей устройства.

Структура данных типа Quality подразумевает наличие двух атрибутов качества.

Основной атрибут Validity может принимать один из трёх значений.

Значение Good означает, что неисправности не обнаружено.

Значение Invalid означает, что получаемая информация неверна и её нельзя использовать.

Значение Questionable означает проблемы с сервером, однако передаваемая информация может оставаться актуальной.

Вторым атрибутом является атрибут DetailQual, который уточняет причину некорректных данных.

На данном слайде, в виде справочной информации, представлена зависимость значения Validity от состояния идентификаторов атрибута DetailQual.

Для формирования первичного представления о реализации механизма подписки устройства на высокодискретные потоки, приведён скриншот настроек платы приёма измерений контроллера ARIS компании Prosoft Systems.

Если в коммуникационной сети уже присутствуют SV-потоки, то функция автоматического сканирования предложит подписаться на найденные из них.

В окне настроек контроллера видно, что он подписан отдельно на поток измерений токов и на поток измерений напряжения.

Для успешной подписки необходимо наличие в SV-кадре источника, идентификатора мгновенных значений SV ID, MAC-адреса, идентификационной метки APPID.

Дополнительно в настройках указывается число мгновенных выборок на период промышленной частоты SampleRate.

Информация о наличии потоков в сети может быть получена с использованием специальной утилиты Wireshark, установленной на подключённом к коммуникационной сети подстанции компьютере.

Утилита позволяет полностью расшифровывать состав передаваемых по сети пакетов SV-потоков и полезна при настройке приёма и передачи измерений между устройствами цифровой подстанции.

Для проверки правильности приёма выборок мгновенных значений, окно утилиты позволяет просматривать их значения.

Более подробно с работой данной утилиты и настройкой приёма-передачи потоков с её помощью можно познакомиться в ходе выполнения лабораторных работ.

Перейдём к рассмотрению протокола GOOSE, который описывается в главе 8.1 стандарта IEC 61850.

Данный протокол является наиболее универсальным и предназначен для передачи быстрых команд на отключение выключателей от терминалов релейной защиты и автоматики, команд телеуправления.

Для обмена сигналами между интеллектуальными устройствами, а также для передачи сообщений, содержащих информацию о положении контактов коммутационной аппаратуры и показаний датчиков.

В рамках полной трёхуровневой архитектуры протокол GOOSE может использоваться как на уровне шины процесса, так и на уровне шины станции.

Причём, для разгрузки коммуникационной сети все сообщения могут быть разделены на уровне настроек интеллектуальных устройств между двумя шинами.

Протокол GOOSE является основным протоколом для передачи информации между интеллектуальными устройствами.

Поскольку эта информация обладает особыми свойствами.

Во-первых, она характеризуется малым объёмом передаваемых данных, состоящих в основном из булевых значений.

Во-вторых, большая часть дискретных сигналов влияет на скорость ликвидации аварийной ситуации.

Поэтому для таких сообщений предъявляются особые требования к скорости передачи и доставки.

В-третьих, передаваемая между устройствами информация может быть одинаковой.

Поэтому ещё одним требованием является возможность передачи сообщений сразу нескольким адресатам.

Требования к скорости передачи GOOSE-сообщений приведены в пятой главе стандарта в виде классов быстродействия.

Так, предельное время передачи сообщения на отключение с типом 1А от терминалов релейной защиты и автоматики не должно превышать 3 миллисекунд.

Передаваемое устройством GOOSE-сообщение содержит набор данных, соответствующий принятой стандартной объектной модели.

Адрес к передаваемому параметру состоит из наименования логического узла.

Объекта данных и его атрибута.

Приём этого сообщения реализуется также, как и SV-потока, по подписке.

Если устройство не подписано на выбор данных из SV-сообщения, такое сообщение принимается устройством.

Но его обработка игнорируется.

Для разгрузки участка сети от коммутатора до принимающего устройства GOOSE-сообщение может быть отфильтровано на коммутаторе с функцией управления.

GOOSE-сообщения являются широковещательными и передаются без подтверждения об их принятии.

Поэтому требования к высокой вероятности доставки данных реализуются с помощью специальных механизмов.

Самым главным механизмом является циклическая передача GOOSE-сообщения, что также позволяет постоянно диагностировать коммуникационную сеть.

Кроме того, в состав пакета передачи входят специальные метки посылок, позволяющие также выполнять контроль целостности канала связи.

А ещё посылки содержат атрибут признака его качества, который позволяет идентифицировать аппаратный отказ устройства.

Время повторения цикла передачи GOOSE-сообщения не постоянно и меняется в зависимости от изменения передаваемых параметров.

Если изменений в составе передаваемого набора данных нет, сообщения передаются с нормальным интервалом передачи, который составляет, например, 5 секунд.

При изменении одного из атрибутов данных, включённых в состав передаваемого набора, формируется новый пакет, который содержит обновлённые данные.

После чего отправка этого пакета повторяется несколько раз с минимальной выдержкой времени.

При отсутствии дальнейших изменений данный интервал отправки постепенно увеличивается до нормального интервала передачи.

Передача GOOSE-сообщений на канальном уровне требует настройки MAC-адресов.

В зависимости от назначения сообщений, диапазон адресов для пятого и шестого октетов, согласно стандарту МЭК 61850, представлен на слайде.

Также на слайде представлена таблица, отражающая, помимо уже рассмотренных предельных времён передачи сообщений на отключение терминалами защиты и автоматики.

Передачу других сообщений, для которых требования к быстродействительности менее жёсткие.

Так как корпоративный профиль ФСК ЕЭС создавался в первую очередь для отечественных производителей оборудования, на следующих трёх слайдах, в качестве справочной информации, приводится настройки передачи для различных типов GOOSE-сообщений.

С указанием минимальных и максимальных интервалов между циклами передачи сообщений.

Указанные параметры передачи GOOSE-сообщений настраиваются в сервере передачи интеллектуального устройства.

На примере контроллера ARIS компании Prosoft Systems продемонстрировано окно с такими настройками.

В обязательном порядке требуется настроить MAC-адрес источника, указать уникальный идентификатор устройства.

А также минимальное и максимальное время передачи GOOSE-сообщения.

Если устройство используется в коммуникационной сети, в которой организованы виртуальные подсети, заполняются параметры VLAN ID и VLAN Priority.

Выбор набора данных для передачи осуществляется в дереве объектной модели устройства.

Расположенной в левой части окна настроек.

Пошаговая настройка сервера GOOSE-сообщения, а также его приёма, показаны в видеозаписи выполнения соответствующей лабораторной работы.

Как правило, в коммуникационной сети цифровой подстанции присутствует довольно много GOOSE-сообщений.

В таких условиях в утилите Wireshark найти трансляцию сообщения от нужного источника становится затруднительно.

Поэтому в Wireshark есть возможность применить фильтр по типу передаваемого сообщения для отображения только GOOSE-сообщений.

Также для быстрого поиска нужного сообщения в утилите можно настроить фильтр, содержащий уникальный идентификатор сообщения и MAC-адрес источника.

Краткая инструкция по настройке фильтра приведена на данном слайде.

Захваченное утилитой Wireshark GOOSE-сообщение можно детально проанализировать.

Цифрами на слайде указаны сноски с расшифровками полей, входящих в состав передаваемого пакета.

Протокол MMS.

Протокол передачи данных по технологии клиент-сервер.

Протокол MMS был разработан в 1980 году с целью его применения на автоматизированной сборочной линии автомобильного концерна General Motors.

Позже этот протокол начали использовать и другие компании не только для сборки техники, но и для расширения функций логических контроллеров.

В 1990 году протокол был стандартизирован международной электротехнической комиссией.

На сегодняшний день протокол MMS уже представлен во второй редакции.

В рамках цифровой подстанции протокол MMS используется для связи устройств с верхним уровнем подстанции.

С его помощью реализуются функции АСУ ТП в части передачи команд ТУ и сбора телесигналов и телеизмерений.

В отличие от рассмотренных протоколов Sampled Values и GOOSE, функционирующих по принципу издатель-подписчик, протокол MMS осуществляет коммуникацию по технологии клиент-сервер.

При таком способе взаимодействия устройств первым сеанс общения начинает клиент.

В ответ сервер формирует подтверждение об успешности передачи данных или команды и отправляет его клиенту.

Этим достигается гарантированность доставки данных или выполнения команды.

Набор правил коммуникационного обмена и формирования сообщений описывается стандартом в главе 8.1.

Правила кодирования информации и её передачи основываются на общей объектной модели, описанной в стандарте.

Протокол MMS является универсальным и может быть использован для передачи как отдельных файлов, так и наборов данных.

В цифровой подстанции протокол MMS используется для передачи журналов событий, различных файлов, в том числе и файлов осциллограмм в формате COMTRADE.

При передаче наборов данных допускается раздельная отправка элементов, входящих в иерархию объектной модели стандарта.

Так, возможно отдельно передавать логические узлы и их объекты данных.

Однако передача атрибутов данных должна осуществляться только в составе полной иерархической объектной модели подстанции.

Этим обеспечивается неизменность объектной модели каждого устройства внутри подстанции.

Главным достоинством протокола является использование современных коммуникационных технологий на базе протокола IP.

Однако производительность данного протокола, относительно скорости передачи данных в коммуникационной сети подстанции, остаётся небольшой.

Передача данных по протоколу возможна двумя способами: опросом и передачей отчётов.

Опрос на системе, после фазы установки соединения, клиент циклически запрашивает у сервера данные, получая их в ответ.

С помощью опросной системы клиент может считать полную информационную модель устройства, включающую в себя информацию о количестве логических устройств.

Логических узлов, объектов данных и атрибутов данных.

Кроме того, с помощью опросной системы может быть произведена выгрузка файлов с устройства.

А также быть реализована система управления.

Сервис отчётов предполагает формирование сообщения клиенту по изменению данных, данных конфигурации устройства.

В стандарте IEC 61850 описывается два типа отчётов для передачи наборов данных: небуферизируемый отчёт и буферизируемый отчёт.

Небуферизируемый отчёт отправляется клиенту при выполнении условий отправки и не сохраняется в памяти сервера.

При потере связи между клиентом и сервером информация теряется.

Буферизируемый отчёт при потере связи между клиентом и сервером сохраняется в циклическом буфере памяти и отправляется клиенту при восстановлении связи с сервером.

Использование отчётов для передачи данных позволяет существенно сократить нагрузку на сеть и устройство.

А также обеспечивает относительно быструю доставку сообщений.

Однако при реализации передачи данных в формате отчётов для них требуется точная настройка форм отчётов.

При выполнении определённых условий, заданных в конфигурации наборов данных, формируется необходимая информация для отправки в отчёт.

Стандарт IEC 61850 определяет специальные условия отправки отдельных отчётов и передачи всех данных из Data Set.

Рассмотрим условия передачи отдельных данных в наборе: при использовании условий отправки по изменению данных, в отчёт включаются только те данные, значения которых изменились.

При использовании условий отправки по изменению атрибута качества, в отчёт включаются только те данные, качество которых изменилось.

При использовании условий обновления данных, в отчёт включаются только те данные, значения которых обновились.

Передача всех данных в наборе возможна по двум условиям.

При использовании условия периодической отправки инициируется отправка всего набора данных вне зависимости от условий отправки, заданных дополнительно.

Либо при использовании условия общего опроса, запрос на отправку отчёта инициируется клиентом.

При этом в отчёт включается весь набор данных.

Глава 5 стандарта определяет предельное время доставки информации для MMS-сообщений различного назначения.

Наибольшие требования к доставке сообщений предъявляются к передаче сигналов о наступлении критических событий в системе.

Самым медленным может быть процесс передачи данных об информационной модели устройства.

Полный набор абстрактных коммуникационных моделей и сервисов определён в главе 7.2 стандарта.

В главе 8.1 определено назначение абстрактных моделей и сервисов протокола MMS.

Помимо передачи данных, в составе сообщения могут присутствовать и опциональные поля для передачи, позволяющие анализировать и диагностировать передачу.

Так, в передачу могут быть добавлены счётчик событий и метка времени формирования отчёта.

А также добавлен параметр, указывающий на причину инициализации передачи.

В качестве справочной информации, в соответствии с корпоративным профилем ФСК ЕЭС, на слайде приведена таблица.

В которой определены несколько основных групп сигналов для передачи по протоколу MMS.

Для данных групп определены используемые условия пуска и опциональные поля для передачи в посылке.

Настройка передачи буферизированного отчёта в контроллере ARIS включает в себя выставление чекбоксов напротив условий, при которых будет инициирована отправка этого сообщения.

А также выбор дополнительных параметров, включённых в передачу.

Помимо этого, в настройках передачи задаётся IP-адрес клиента, разрешающий его подключение к серверу.

Настройка времени буферизации и период отправления регламентируют временной цикл жизни отчёта и времени обновления информации в отчёте, соответственно.

Следующий раздел лекции посвящён оценке загрузки коммуникационной сети цифровой подстанции.

Решение задачи оценки загрузки коммуникационной сети необходимо при оценке её фактической пропускной способности.

И анализе временных задержек при передаче данных.

Исследования на эту тему показывают, что при нормальном режиме циклической передачи одно GOOSE-сообщение незначительно загружает коммуникационную сеть.

Однако в режиме изменения данных загрузка сети повышается до 1 Мбит/с.

Наибольшее влияние на загрузку коммуникационной сети оказывает передача протоколов Sampled Values.

Передача одного пакета размером 140 кБ с частотой выдачи в сеть, равной 4000 Гц, приводит к загрузке сети на 4,6 Мбит/с.

Таким образом, через 100-мегабитную сеть возможно передать от 22 до 24 таких потоков.

Несмотря на то, что собственная частота дискретизации SV-потоков, предназначенных для анализа качества электрической энергии, выше.

Чем SV-потоков для нужд релейной защиты и автоматики, частота выдачи их пакетов в коммуникационную сеть оказывается ниже.

И составляет 1600 Гц.

При этом, из-за наличия нескольких точек измерения в кадре, один поток для учёта и анализа качества электрической энергии приводит к загрузке сети в районе 10 Мбит/с.

Реализация современных дифференциальных защит на цифровых подстанциях, требующих сбора множества измерений с различных присоединений.

Значительно увеличивает трафик в коммуникационной сети и предъявляет повышенные требования к её пропускной способности и временным задержкам при передаче данных через сеть.

Примером такой защиты может служить дифференциальная защита шин.

Логика работы такой защиты, как правило, не требует большой частоты дискретизации сигнала.

А время обработки измерения, встроенного в терминал вычислителем, много меньше предельного времени передачи установленного стандарта.

С учётом этого, использование гибкого стандарта, предназначенного для цифровых измерительных трансформаторов.

Открывает новые возможности по его использованию для работы таких защит.

На рисунках показаны зависимости загрузки сети от частоты дискретизации сигнала при фиксированном количестве точек измерений в передаваемом пакете.

А также от числа передаваемых в пакете точек измерения при фиксированных собственных частотах дискретизации.

Из графика видно, что наибольшее влияние на снижение трафика оказывает уменьшение числа точек дискретизации.

Повышение размерности передаваемого пакета за счёт изменения количества точек измерений в кадре также влияет на снижение загрузки сети.

Однако с повышением числа передаваемых точек до четырёх, эффективность такого способа падает.

При этом возрастает задержка при обработке пакета с измерениями внутренним вычислителем устройства.

Максимального эффекта от использования стандарта IEC 61869 можно добиться одновременным повышением размера передаваемого пакета и снижением собственной частоты.

При реализации такого подхода необходимо также учитывать, что снижение частоты дискретизации влияет в первую очередь на стабильность срабатывания алгоритма.

Снижение задержек при передаче данных возможно с использованием технологий виртуальных сетей.

В одном из исследований проводилось измерение задержки при передаче SV-потоков в слабонагруженной сети и в сети, загруженной посторонним трафиком.

Передача SV-потоков и постороннего трафика осуществлялась через разные виртуальные сети.

Как видно из графиков, среднее время передачи пакетов в обоих случаях составляет 200 микросекунд.

Можно сделать вывод, что разделение сигналов по отдельным VLAN позволяет минимизировать влияние большого трафика в одной сети на другую.

Спасибо за внимание.