Основные вопросы ЛВС на энергообъекте

Перед открытием рубрики «Локальные вычислительные сети» редакция журнала «Цифровая подстанция» провела очередной опрос среди проектировщиков локальных сетей и производителей оборудования.

Для проектировщиков мы подготовили следующие вопросы:

1. Приходилось ли вам в работе заниматься выбором топологии ЛВС для передачи данных по протоколам стандарта IEC 61850?
2. На основании чего делался выбор, какие методики примерялись?
3. Как вы считаете, насколько однозначно можно делать сегодня выбор топологии и применяемых протоколов резервирования?
4. Какие области, по-вашему, требуют дополнительных исследований для более однозначного принятия проектных решений?
5. На ваш взгляд, востребован ли сервис (инструмент) по проектированию ЛВС? Какие от него ожидания? Какие функции он должен выполнять и какими исходными данными должен оперировать?

Максим Хлыстов

ООО «НПП Микроника»

В работе нам постоянно приходится заниматься выбором топологии ЛВС для передачи данных по протоколам стандарта IEC 61850.

В настоящее время именно методика выбора топологии ЛВС мне неизвестно. При проектировании архитектуры ЛВС в составе АСУ ТП или ССПИ мы руководствуемся рекомендациями производителей оборудования и нормативными документами заказчиков. Архитектура ЛВС для объектов ПАО «ФСК ЕЭС» регламентирована требованиями Распоряжения ОАО «ФСК ЕЭС» от 28.04.2012 №286р. Рекомендации по применению основных структурных схем и требования к организации и функциям АСУ ТП подстанций 110 750 кВ с учётом функциональной достаточности и надёжности. Сейчас разрабатывается стандарт организации ПАО «Россети» Основные технические требования к АСУ ТП и ССПИ ПС 35-110 кВ, в котором тоже должен появится раздел регламентирующий требования к архитектуре ЛВС для подстанций, соответствующего класса напряжения.

Однозначный выбор топологии ЛВС и протоколов резервирования произвести достаточно сложно, т. к. практически всегда заказчик требует обеспечить достаточную надёжность передачи данных и в тоже время хочет сэкономить на стоимости комплекса, а обеспечение резервирования, как  правило, требует дополнительных затрат.

Если говорить об обеспечении надёжности для различных топологий ЛВС, то показатели надёжности для систем АСУ ТП (возможно отдельно для ЛВС или даже отдельно для шины процесса и шины подстанции) должны быть регламентированы для ПС различных классов напряжений. Так же должна быть создана методика выбора топологии сети с учетом обеспечения требуемых показателей надёжности системы, которой будут пользоваться проектанты и производители АСУ ТП.

Однозначно ответить на вопрос о выборе топологии и применяемых протоколов резервирования достаточно сложно. Если данный инструмент не будет требовать от проектировщика ввода огромного числа исходных данных (например, наработок на отказ для каждого элемента в сети и т.п.), будет прост в использовании, и иметь малую стоимость, то возможно он будет востребован. Но зачастую на первый план для заказчика выходит стоимость решения, которую в какой-либо САПР заложить невозможно, а в таком случае и применимость данного инструмента будет ограничена. 

Сергей Трубачёв

ЗАО «Шнейдер Электрик»

Да, в работе мне приходилось заниматься выбором топологии ЛВС для передачи данных по протоколам стандарта IEC 61850. Впервые  вопрос топологии ЛВС для цифровой подстанции был рассмотрен специалистами компании АСТ при проектировании ЦПС 35 кВ Бабайки.

Выбор топологии осуществлялся в первую очередь на основании надёжности доставки информации от источника к получателю. Немаловажным  критерием выбора стало и структурирование трафика SV-потоков, а также ограничение информационной нагрузки на сеть.

К текущему моменту, на мой взгляд, сложились две наиболее подходящих для ЦПС топологии. Первая, это так называемая «двойная звезда». Она представляет собой радиальную структуру с сетевыми коммутаторами в центре и IED-устройствами на периферии. «Двойная» она, поскольку полностью дублируется, но второй комплект изолирован от первого. Такая топология  наиболее проста, наглядна и позволяет использовать протокол параллельного резервирования PRP. К альтернативному варианту можно отнести структуру «точка-точка»   прямое оптическое соединение устройств. Она имеет ряд преимуществ, но и не лишена недостатков. К примеру, минусом этого варианта является существенное увеличение количества портов издателя SV-потока (MU) с увеличением числа подписчиков (РЗА). А вот несомненным плюсом будет отсутствие промежуточного звена между MU и РЗА коммутатора.

Для более однозначного принятия проектных решений, конечно, нужно детально исследовать поведение сети при её постепенной загрузке, и наложении нештатных ситуаций. А проектным организациям важно владеть информацией о соответствии количества GOOSE-сообщений, SV-потоков занимаемому объему информации в канале, и его предельным значениям для бесперебойной работы сети. Безусловно, много и других факторов, влияющих на конечный выбор топологии. Например, на подстанции без обслуживающего персонала, при значительном удалении от цивилизации, предпочтительнее будет структура без использования коммутационной аппаратуры каналы «точка-точка», поскольку вероятность возникновения неисправности в такой топологии существенно ниже.

Конечно, любой инструмент по автоматизации процесса проектирования будет востребован, и сервис по выбору оптимального решения построения сети не исключение.  Но вот правильно им воспользоваться, по моему мнению, смогут только те, кто способен справиться с этой задачей «вручную». Ведь к тому моменту, когда можно будет слепо доверять таким инструментам, пройдёт немало времени, а до этого специалист, просчитывающий сеть, должен уметь проверить итоговый результат. Сервис по проектированию ЛВС, на мой взгляд, должен решать очень широкий спектр задач, от расчета загрузки канала в каждой конкретной точке, до сравнения издержек на реализацию и дальнейшую эксплуатацию того, или иного варианта. Несомненно, объем исходных данных будет велик, но ведь и результат должен значительно упростить работу проектным организациям, и помочь создать оптимальную топологию сети при различных начальных условиях. А вот какие конкретно исходные данные использовать, думаю, нужно оставить на волю разработчикам. Ведь если программа сможет автоматически взять всю необходимую информацию со схемы размещения защит, ну или задать дополнительно уточняющие вопросы, то наверно это будет идеальный вариант.

Производителям было предложено ответить на другие вопросы:

1. Как вы считаете, по какой идеологии должны строиться ЛВС на подстанциях? Следует ли разделять физически сети, в которых передаются данные по Sampled Values, GOOSE, MMS. В каком составе их допустимо комбинировать? Как резервировать рассмотренные сегменты сети?
2. Как вы считаете, как должны изменяться эти требования в зависимости от классов напряжения, уточните ответ для групп 6-35 кВ, 110-220 кВ, 500 кВ.
3. Какие проблемы можно выделить, решение которых требует разделения ЛВС подстанций по типам трафика, если можно?
4. Какие методы могут применяться в дополнение или взамен физического разделения?
5. На чем вы основываетесь в своих суждениях? Какие научные или экспериментальные исследования, проложены в основу вашей позиции?
6. Какие вопросы, на ваш взгляд, требуют ещё научного или экспериментального исследования с целью обоснования наиболее экономически целесообразных решений?

Андрей Маслов

ООО «АББ Силовые и Автоматизированные Системы»

Сразу хочу сказать, что данная тема очень актуальна и каждому аспекту можно посвятить отдельное детальное обсуждение.

На текущем этапе развития технологий об идеальной архитектуре говорить еще слишком рано. Для построения шины процесса мы предлагаем применять архитектуру «точка-точка», это позволяет достичь максимальных показателей надёжности, сохранив основные преимущества шины процесса.

Разделение на шину станции (MMS, GOOSE) и шину процесса (SV, GOOSE) при такой архитектуре неизбежно (шина процесса фактически состоит из множества независимых сегментов).

Резервирование в первую очередь нужно реализовывать по функциональному признаку – весь «измерительный тракт», включающий первичное оборудование, УСШ (merging unit), ИЭУ для одной функции (например, защиты линии) должен дублироваться, резервирование непосредственно сетевых подключений при этом отходит на второй план. Для объединения в единую сеть полевых устройств или модулей устройств предпочтительнее применение протокола HSR.

В первую очередь построение шины процесса целесообразно для уровней напряжения 110 кВ и выше. Это связано с тем, что для уровня 6-35 кВ МП терминалы устанавливаются непосредственно в ячейки, и практически сами становятся полевыми устройствами, многие преимущества нивелируются – нет возможности сократить число кабельных связей, расширить диагностируемую зону.

Ключевой проблемой является пропускная способность сетевого оборудования при передаче данных реального времени (SV).

При построении локальных сетей любых современных подстанций для логического разделения потоков данных в первую очередь целесообразно применять разделение на VLANы и Multicast-фильтрацию.

АББ активно проводит различные исследования, касающиеся оптимизации архитектуры шины процесса. В качестве примера можно ознакомиться со статьей «Оптимизация архитектуры шины процесса систем защиты и управления в электроэнергетике», опубликованной в первом за 2014 год номере Релейщика.

Экспериментальные исследования проходят в рамках реализации различных пилотных проектов. К сожалению, в России АББ успело сделать только первые шаги: наше оборудование – терминалы МП РЗА – установлено на Полигоне «Цифровая подстанция» в НТЦ ФСК ЕЭС, также разработана концепция Цифровой подстанции, которая также была адаптирована к реальной ПС 220 кВ ФСК ЕЭС. В международном масштабе компания АББ накопила очень обширный экспериментальный и промышленный опыт внедрения элементов Цифровой подстанции.

На мой взгляд, нужно более осознанно подходить к выбору элементов Цифровой подстанции, исходя из особенностей объекта и наиболее существенных на сегодняшний день факторов. Особенности объектов это тип РУ (элегазовое закрытое или открытое) и состояние первичного оборудования (комплексная реконструкция ПС или только замена вторичных систем). Существенные факторы это степень внедрения продуктов и отлаженности технологий (есть первые пилоты, опытная эксплуатация, промышленная эксплуатация), экономическая целесообразность внедрения (для сетей 35 кВ и ниже), соответствие стандартам (текущим и планируемым к внедрению в ближайшее время).

Стефан Майер

ABB, Switzerland

Поскольку сетевая архитектура на уровне станции и процесса должна выбираться исходя из первичной схемы (например, двойная система шин или полуторная схема) с одной стороны, а также учитывать тип распределительного устройства и расположение устройств (ОРУ/КРЭУ, релейный щит/локальные шкафы управления) – с другой, то единого подхода к построению сетей связи не существует.

Как правило, для магистральных и узловых распределительных подстанций мы предлагаем разделять шину процесса и станционную шину, так как по шине процесса передаются данные, критически важные для работы функций защиты.

Для достижения высоких показателей доступности системы с сохранением удобства обслуживания целесообразно устанавливать два комплекта основных защит, включающих в своем составе независимые устройства ввода/вывода для шины процесса (устройства сопряжения с шиной процесса), устройства РЗА и сеть связи.

Далее для многих типов подстанций целесообразно ограничить шину процесса пределами одного присоединения, что обеспечит высокую производительность для РЗА, благодаря минимальным задержкам при передаче потоков SV и GOOSE-сообщений и еще более упростит обслуживание отдельных присоединений. Для передачи данных процесса, востребованных в пределах всей станции, например, измерений напряжения на шинах, может применяться специализированная «межфидерная» (англ. interbay) шина процесса или даже шина станции. Данный подход – подключения «точка-точка» в пределах присоединения и шина процесса, построенная на коммутаторах, в пределах подстанции – обеспечивает высокую надежность РЗА, упрощает инжиниринг и обслуживание, уменьшает стоимость построения сети.

Для среднего напряжения (до 35 кВ) построение отдельной шины процесса нецелесообразно из-за минимального расстояния между первичным и вторичным оборудованием. Разумный подход для внедрения цифровых технологий для среднего уровня напряжения – использование станционной шины связи для обмена, к примеру, GOOSE-сообщениями при реализации распределенных схем защиты (с сигналами блокировки или телеотключения) и выборками аналоговых величин напряжения на шинах.

Для высоких уровней напряжения увеличиваются требования по надёжности ко вторичным системам в целом, что также накладывает дополнительные требования к шине процесса, например, обязательная реализация резервирования (PRP, HSR).

Одна из главных проблем при разделении сети по типам трафика, не важно – физически или логически – найти правильный баланс между производительностью и удобством инжиниринга, тестирования и обслуживания. Разделение трафика должно быть не только корректно настроено, но и задокументировано в проекте. Высокая степень разделения может привести к сложностям при тестировании и обслуживании, так как не всю требуемую информацию можно увидеть, подключившись к какому-либо порту сети Ethernet.

Применение VLAN-ов и Multicast-фильтрации являются дополнениями к физическому разделению сетей.

Позиция основана на самом стандарте, технических отчетах, научных докладах, исследованиях и решениях для различных типов цифровых подстанций, на опыте внедрения более 1000 ПС в стандарте IEC 61850, а также на результатах испытаний в собственном испытательном центре, сертифицированным UCAIUG.

При внедрении технологий цифровой подстанции одна из ключевых целей заключается в снижении количества контрольного кабеля. Для решения этой задачи основным вопросом является такое оптимальное расположение устройств, чтобы преобразование аналоговых данных «в цифру» выполнялось в непосредственной близости от источника. Модульная масштабируемая система ввода-вывода может обеспечить решение этой задачи, предоставляя возможность установки модулей ввода/вывода в оптимальных местах РУ и обеспечивая, таким образом, подключение к оптической шине процесса прямо около первичного оборудования.

Глеб Соколов

ЗАО «Альстом Грид»

Я всё-таки считаю, что смешивать станционную шину и шину процесса не стоит. Это разные типы трафика и соответственно различные требования к сетевому оборудованию. Дополнительно станционная шина будет на подстанции всегда, а шина процесса появляется только в цифровой подстанции. В силу этого использовать всегда максимально производительное сетевое оборудование, требующееся для шины процесса, не всегда оптимально и экономически обосновано. Фактически при физической и логической сегментации сети мы будем в конце иметь один и тот же результат – потоки информации в сети будут строго регламентированы. При этом логическая сегментация подразумевает использование управляемых коммутаторов и хорошее знание их конфигурирования. Физическая сегментация подразумевает неуправляемые коммутаторы не требующие настройки, но их больше чем при логической сегментации. Выбор более приемлемого варианта сегментации зависит от политики эксплуатации конечного заказчика. Логическая сегментация требует от эксплуатирующего инженера большей квалификации в сетевых технологиях. Физическая сегментация наоборот не предъявляет такого требования, но реализуется на большем количестве коммутаторов.

Вполне естественным следующим шагом в технологии создания шины процесса выглядит переход на скорость передачи информации в 1 Гб. Это позволит на порядок поднять производительность сети и тем самым резко снизить ограничения по количеству данных передаваемых в шине процесса. В этой ситуации выглядит логичным передача SV потоков и GOOSE-сообщений по одной сети. При этом автоматически потребуется резервировать эту сеть, т.к. по ней осуществляется телеотключение выключателя, и следовательно надежность должна быть максимальной.

В настоящий момент создание цифровых КРУ 6-35 кВ носят больше характер экспериментов и не могут быть экономически обоснованы. В силу этого выглядит логично разделение требований для напряжения 6-35 кВ и для напряжения 110-500 кВ.

При переходе на скорость 1 ГБ возникает проблема, решение которой требует разделения ЛВС подстанций по типам трафика.

Возможно, в некоторых проектах комбинация физической и логической сегментации будет хорошим выходом. Опять повторюсь тот или иной тип сегментации определяется уровнем квалификации эксплуатирующего персонала.

В своих суждениях я основываюсь только на своём экспертном мнении.

Один из главных вопросов, косвенно требующий научного или экспериментального исследования с целью обоснования наиболее экономически целесообразных решений, касается организации цифрового ДЗШ. В настоящий момент один терминал физически не может принять больше 6-8 SV потоком по 100 МБ, Соответственно, при защите шин с более чем 6-8 присоединениями начинаются сложности, требующие усложнения решения по ДЗШ.

Артём Перепелицын

ООО «АСТ»

На мой взгляд, для достижения необходимого уровня надёжности достаточно структуры двойная звезда без физического разделения передачи данных SV/GOOSE. ЛВС, в которых дополнительно к дублированию сетей применяется еще и разделение на сети GOOSE и SV, на мой взгляд, уже излишне сложны. Такая структура скорее приведет к появлению большего количества ошибок при наладке и проблемам при обслуживании, чем увеличит надежность системы. К тому же это приведет к увеличению стоимости проекта и понизит привлекательность проектов ЦПС у заказчика. А следовательно, снизит и так небольшое количество реально вводимых объектов.

На объектах класса напряжения 6-35 кВ можно применять упрощенную структуру без дублирования сетей. Но это допустимо при отсутствии на этих объектах SV потоков и применении GOOSE сообщений только для ОБ. Во всех остальных случаях необходимо и достаточно применить дублированную структуру.

Я считаю, что нет такой проблемы на подстанции, которая бы однозначно требовала разделения сетей по типам трафика.

Среди методов, которые могут применяться в дополнение или взамен физического разделения, я бы выделил организацию VLAN, применение гигабитных портов и грамотное проектирование ЛВС.

Моё мнение основано на практическом опыте при наладке ЦПС. Единственное, на мой взгляд, чего мы достигаем разделением сетей по типу трафика это снижения загрузки сети. Но на реальном объекте, даже при максимальном рабочем количестве пакетов в сети, мы получаем увеличение времени передачи сообщений на столь небольшую величину, что полное время передачи сигнала отключения меньше аналогичного показателя для традиционной РЗА.

Для обоснования наиболее экономически целесообразных решений необходим практический опыт эксплуатации ЦПС с количеством устройств на шине процесса 100+. Потому как экстраполяция результатов полученных в сетях с малым количеством устройств  может отличаться от реальной картины.