Система связи
Система связи состоит из передатчика, приемника и каналов связи. Тип медиа и сетевых топологий в коммуникациях дает разные возможности для повышения скорости, безопасности, надежности и чувствительности реле защиты.
Коммуникации в защите энергосистемы - СМИ, топология и протоколы (на фото: шкаф защиты подстанции 110кВ-20кВ, кредит: Марко Гостович через Linkedin)
Существует несколько типов коммуникационных сред, таких как микроволновая волна, радиосистема, волоконная оптика и т. Д. Ниже приведены краткие сведения о преимуществах и недостатках в медийных средствах связи, которые в настоящее время работают (как аналоговые, так и цифровые), а также о различных сетевых топологиях.
Содержание:
- Сравнение коммуникационных сред
- Сравнение различных топологий сети связи
- Сеть «точка-точка»
- Звездная сеть
- Автобусная сеть
- Линейная сеть Drop и Insert
- Переключаемое кольцо SONET Path
- Кольцевое кольцо SONET
- Описание различных протоколов связи
- Физический протокол
- Протокол RS232
- Протокол RS485
- Многоуровневые протоколы
- DNP 3.0
- ModBus
- IEC 61850
- LON
- Физический протокол
- Сравнение релейных характеристик между разными поставщиками
1. Сравнение средств связи
Начнем с краткого описания семи наиболее известных и наиболее используемых коммуникационных медиа, используемых в коммуникациях с энергосистемой (с точки зрения защиты и автоматизации):
1.1
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Экономичный, подходит для связи между станцией и станцией. Оборудование установлено в коммунальной зоне. | Ограниченное расстояние покрытия, низкая пропускная способность, по существу мало доступных каналов, доступ к общественному доступу. |
1.2 Микроволновая печь
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Экономичный, надежный, подходящий для создания инфраструктуры связи задней кости, высокой пропускной способности канала, высокой скорости передачи данных. | Требуемая линия визирования, высокая стоимость обслуживания, специализированное испытательное оборудование и потребность в квалифицированных техниках, затухание сигнала и многолучевое распространение. |
1.3 Радиосистема
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Мобильные приложения, подходящие для связи с областями, которые в противном случае недоступны. | Шум, помехи в соседнем канале, изменения скорости канала, общая скорость, переключение каналов во время передачи данных, ограничения мощности и отсутствие безопасности. |
1.4 Спутниковая система
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Широкая зона покрытия, подходящая для общения с недоступными областями, не зависящая от расстояния, низкая частота ошибок. | Полная зависимость от удаленных мест, меньший контроль над передачей, постоянная лизинговая стоимость при условии подслушивания (постукивание). Задержки от конца до конца в 250 мс исключают большинство защитных ретрансляционных приложений. |
1.5 Радиопередатчик с расширенным спектром
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Доступное решение с использованием нелицензированных сервисов. | Тем не менее, необходимо изучить, чтобы удовлетворить требования к ретрансляции. |
1.6 Арендованный телефон
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Эффективно, если для сайта, обслуживаемого телефонной службой, требуется сплошная ссылка. | Дорогое в долгосрочной перспективе, не очень хорошее решение для многоканального применения. |
1.7 Волоконно-оптические
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Экономичность, высокая пропускная способность, высокая скорость передачи данных, невосприимчивость к электромагнитным помехам. Уже реализованы в области телекоммуникаций, SCADA, видео, данных, передачи голоса и т. Д. | Дорогостоящее тестовое оборудование, сбои могут быть затруднительными, могут быть подвержены поломке. |
Вернуться к содержанию ↑
2. Сравнение различных топологий сети связи
2.1 Сеть точка-точка
Сеть «точка-точка» - это простейшая конфигурация с каналом, доступным только между двумя узлами.
Рисунок 1 - Сеть «точка-точка» - графическая модель
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Подходит для систем, требующих высокой скорости обмена данными между двумя узлами. | Связь может передаваться только между двумя узлами, отключение канала связи приведет к полной потере обмена информацией. |
Вернуться к содержанию ↑
2.2 Звездная сеть
Звездная сеть состоит из нескольких двухточечных систем с одним общим сборщиком данных.
Рисунок 2 - Звездная сеть - графическая модель
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Простота добавления и удаления узлов, простая в управлении и мониторинге, разбивка узлов не влияет на остальную часть системы. | Надежность всей сети зависит только от отказа одного концентратора. |
Вернуться к содержанию ↑
2.3 Автобусная сеть
Сеть шины имеет один канал связи, который проходит по всей системе для подключения узлов.
Рисунок 3 - Сеть шин - графическая модель
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Сеть шины не зависит от одной машины (концентратора). Это обеспечивает высокую гибкость конфигурации (легко удалить или добавить узлы, а узел к узлу можно напрямую подключить). | Высокая информационная нагрузка может задержать скорость трафика связи. Кроме того, когда-то неэффективно использовать каналы связи, поскольку информация не может быть обменена непосредственно между желаемым реле и концентратором без прохождения через реле по пути связи. Другими словами, некоторые реле могут получать информационные пакеты, которые для них не нужны. Таким образом, также трудно устранить основную причину проблемы, когда это необходимо. |
Вернуться к содержанию ↑
2.4. Линейная сеть Drop и Insert
Сеть Linear Drop и Insert состоит из нескольких путей для связи между реле. Информация между двумя несмежными узлами может быть передана непосредственно через промежуточный узел (узлы).
Рисунок 4 - Линейная капля и вставка сети - графическая модель
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Когда определенный канал связи падает, его пропускная способность может быть сбалансирована другими каналами. | Отсутствие резервной копии канала при сбое волокна или оборудования. |
Вернуться к содержанию ↑
2.5 Переключаемое кольцо для спутников SONET
SONET Path Switched Ring состоит из двух отдельных волоконно-оптических линий, соединяющих все узлы в конфигурации с противоположным вращением.
В нормальном случае информация передается от A до C через внешнее кольцо (через B), которое является основным маршрутом (слева). Однако, если происходит сбой канала, информация передается через внутреннее кольцо, которое является вторичным маршрутом (правый рисунок).
Рисунок 5 - SONET Path Switched Ring - графическая модель
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Этот тип сети избыточен, что означает, что сбои канала не будут влиять на процесс связи. | Неравномерная временная задержка между передатчиком и приемником может привести к ошибочной работе защитных реле при переключении с первичного на вторичный маршрут в случае отказа канала. |
Вернуться к содержанию ↑
2.6. Линейное коммутируемое соединение SONET
SONET Line Switched Ring имеет ту же структуру, что и тип SONET Path, но один из них активен, а другой - зарезервированный.
В нормальном состоянии активный канал передает информацию через внешнее кольцо (левое изображение). Однако в случае отказа канала внутреннее кольцо активируется для обратной передачи и передачи информации по другому направлению (справа).
Рисунок 6 - SONET Line Switched Ring - графическая модель
| Преимущество (ы) | Неудобство (ы) |
| Более эффективное использование волоконной связи для некоторых приложений. | Этот тип связи не подходит для приложений телезащиты, так как требует сложного установления связи (Синхронизация), что вызывает задержку в 60 мс. |
Вернуться к содержанию ↑
3. Описание различных протоколов связи
Протоколы связи - это набор правил, по которым достигается связь по сети. Протоколы связи отвечают за включение и контроль сетевой связи.
Протоколы устанавливают правила для представления данных, сигналы, используемые в коммуникациях, обнаружение ошибок и аутентификацию вычислительных устройств в сети. Для производителей реле не обязательно следовать тем же протоколам, что и в таблице Anex.
Коммуникационные протоколы могут быть разделены на две группы: (1) протоколы на физическом уровне и (2) многоуровневые протоколы. Оба типа протокола кратко обсуждаются в этой технической статье.
Вернуться к содержанию ↑
3.1. Физический протокол
Физические протоколы были разработаны для обеспечения совместимости между устройствами, предоставляемыми разными производителями, и для обеспечения разумного успеха в передаче данных на определенные расстояния и / или скорости передачи данных.
Ассоциация электронной промышленности (EIA) выпустила такие протоколы, как RS232, RS422, RS423 и RS485, которые занимаются обменом данными.
Кроме того, эти физические протоколы также включены в «Физический уровень» модели Open Systems Interconnection (OSI), которая будет объяснена в многоуровневых протоколах, раздел ниже.
Вернуться к содержанию ↑
3.1.1 Протокол RS232
Протокол RS232 является самым основным протоколом связи, который определяет критерии для связи между двумя устройствами.
Этот тип связи может быть симплексом (одно устройство действует как передатчик, а другое действует как приемник, и есть только односторонний трафик, т. Е. От передатчика к приемнику), полудуплекс (любое устройство может действовать как передатчик или приемник, но не на в то же время) или полный дуплекс (любое устройство может одновременно передавать или получать данные).
Между двумя устройствами требуется одно соединение с витой парой. На рисунке 7 показана конфигурация протокола RS232.
Рисунок 7 - Конфигурация протокола RS232
Вернуться к содержанию ↑
3.1.2 Протокол RS485
Этот протокол аналогичен протоколу RS232, который позволяет нескольким реле (до 32) взаимодействовать в полудуплексном режиме. Эта полудуплексная схема разрешает одно реле либо передавать, либо получать командную информацию.
Это означает, что информация обрабатывается путем опроса / ответа.
Связь всегда инициируется «ведущим устройством» (хост), а «ведомые устройства» (реле) не будут передавать данные без получения запроса от «ведущего устройства» и не связываться друг с другом.
В протоколе RS485 есть два режима связи:
- Одноадресный режим и
- Режим широковещания
В одноадресном режиме «Главный блок» отправляет команды опроса, и только один «ведомый блок» (назначенный уникальным адресом) отвечает на свою команду соответствующим образом. «Мастер-блок» будет ожидать ответа от «Ведомого устройства» или отказаться от ответа в случае истечения заданного периода.
Рисунок 8 - Конфигурация протокола RS485: режим одноадресной рассылки
В широковещательном режиме «Ведущий блок» передает сообщение всем «Ведомым устройствам». На рис. 8 и 9 показана простая конфигурация протокола RS485 в одноадресном и широковещательном режимах соответственно.
Рисунок 9 - Конфигурация протокола RS485: широковещательный режим
Вернуться к содержанию ↑
3.2 Многоуровневые протоколы
Другие протоколы, упомянутые в таблице Anex, разрабатываются моделью Open Systems Interconnection (OSI).
Эта модель является продуктом усилий по объединению открытых систем (OSI) в Международной организации по стандартизации.
Как это работает? - Модель подразделяет систему связи на несколько уровней. Слой представляет собой набор аналогичных функций, предоставляющих услуги над слоем, расположенным над ним, и получает услуги от приведенного ниже. На каждом уровне экземпляр предоставляет службы экземплярам на уровне выше и запрашивает службу со следующего уровня.
Когда данные передаются с одного устройства на другое, каждый уровень добавляет определенную информацию в «заголовки», и информация будет дешифрована в конце адресата.
На рисунке 10 показана передача данных с использованием модели OSI, где «H» представляет собой «заголовки».
Рисунок 10 - Модель OSI
В таблице 1 ниже описывается функция каждого слоя.
Таблица 1 - Функции модели взаимодействия открытых систем (OSI)
| Слои | функция |
|
заявка (А) |
Предлагает прямое взаимодействие пользователя с программным приложением. Добавляет заголовок приложения к данным, которые определяют, какой тип приложения был запрошен. Это формирует блок данных приложения. Существует несколько стандартов для этого уровня, например HTTP, FTP и т. Д. |
|
презентация (П) |
Обрабатывает преобразование формата в общие данные представления и сжимает и распаковывает данные, полученные и отправленные по сети. Он добавляет заголовок презентации в блок данных приложения, содержащий информацию о формате данных и используемом шифровании. |
|
сессия (S), |
Устанавливает диалог и логическое соединение с конечным пользователем и предоставляет такие функции, как обработка ошибок и восстановление после сбоев. Он добавляет заголовок сеанса в блок данных презентации и формирует блок данных сеанса. |
|
Транспорт (Т) |
Управляет пакетом адресату и делит больший объем данных на более мелкие пакеты. В этом слое есть два транспортных протокола: протокол управления передачей (TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (UDP). Надежность и скорость - основное различие между этими двумя протоколами. TCP устанавливает соединения между двумя хостами в сети через пакеты, которые определяются IP-адресом и номером порта. TCP отслеживает порядок доставки пакетов и проверяет те, которые должны быть повторно отправлены. Поддержание этой информации для каждого соединения делает TCP протоколом с сохранением состояния. С другой стороны, UDP обеспечивает низкую служебную услугу передачи, но с меньшей проверкой ошибок. |
|
сеть (N) |
Контролирует маршрутизацию и адресацию пакетов между сетями и передает пакет через самый короткий и самый быстрый маршрут в сети. Добавляет сетевой заголовок в блок данных транспорта, который включает сетевой адрес. |
|
Канал передачи данных (D) |
Определяет физический адрес (MAC-адрес) и предоставляет такие функции, как обнаружение ошибок, повторная отправка и т. Д. Этот уровень добавляет заголовок канала данных в блок данных сети, который включает в себя физический адрес. Это делает блок данных линии передачи данных. |
| физический | Определяет электрические, механические, функциональные и процедурные свойства физической среды. |
Некоторые из протоколов, упомянутых в таблице Anex, которые получены из модели OSI, описаны ниже:
Вернуться к содержанию ↑
3.2.1 DNP 3.0
Протокол распределенной сети (DNP) 3.0 - это протокол, разработанный для достижения стандарта совместимости между компьютерами подстанций.
Этот протокол использует слои 1, 2 и 7 из модели OSI для базовой реализации. Четвертый уровень (псевдотранспортный уровень) может быть добавлен для обеспечения сегментации сообщений.
Этот протокол DNP 3.0 с псевдотранспортирующим уровнем называется моделью расширенной производительности (EPA). Он в основном используется для связи между ведущими станциями в системах диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), удаленных терминальных модулях (RTU) и интеллектуальных электронных устройствах (IED) для отрасли электроснабжения.
Этот протокол не ждет данных в виде TCP / IP. Если пакет задерживается, через некоторое время он будет удален. Это связано с тем, что протокол состоит из встроенной временной синхронизации (timetag), связанной с сообщениями.
Эта точность timetag составляет порядка миллисекунд. Возможно асинхронно обмениваться сообщениями, что показано в функции опроса /
Скорость отклика.
Типичная скорость обработки составляет 20 миллисекунд.
Вернуться к содержанию ↑
3.2.2 ModBus
ModBus также является трехслойным протоколом, который обменивается данными с использованием метода «ведущий-ведомый», в котором только одно устройство (мастер) может инициировать транзакции (называемые запросами).
Другие устройства (ведомые устройства) отвечают, передавая запрашиваемые данные ведущему устройству или выполняя действие, запрошенное в запросе.
Этот протокол не состоит из встроенной временной синхронизации, как в случае DNP 3.0, что каждое сообщение сохраняется во внутреннем буфере.
Тем не менее, синхронизация времени может быть реализована либо с использованием внешнего источника синхронизации времени, такого как Глобальная система позиционирования (GPS), либо с использованием внешнего механизма синхронизации, такого как Inter-Range Instrumentation Group (IRIG), чтобы синхронизировать интеллектуальные электронные устройства (IED), В общем, IRIG обеспечивает точность в диапазоне 100 микросекунд, но для передачи сигналов синхронизации, которые могут быть ограничены для количества подключенных устройств (в зависимости от длины кабеля и нагрузки устройства), требуется специальный коаксиальный кабель.
С другой стороны, GPS обеспечивает более высокую точность (в диапазоне 1 микросекунды) по сравнению с IRIG, но стоимость и сложность установки антенн на каждое устройство являются ограничением для развертывания GPS.
Тем не менее, выбор протокола синхронизации времени обычно определяется количеством и типом устройств энергосистемы, а также физическим расположением оборудования. Типичная скорость обработки протокола ModBus составляет 8 миллисекунд.
Протокол может быть разделен на три формата кадров, которые представляют собой американский стандартный код для обмена информацией (ASCII), удаленный терминал (RTU) и протокол протокола передачи и протокол интернет-протокола (TCP / IP).
ModBus ASCII и ModBus RTU используются в последовательной связи. Разница между этими кадрами ASCII и RTU - это формат сообщения связи. В ASCII-формате два символа ASCII используются в каждом 8-битовом байтовом сообщении, тогда как два битовых шестнадцатеричных символа (или 8-битные двоичные) используются в случае формата RTU.
Преимущество формата ASCII заключается в том, что он позволяет временным интервалам до одной секунды встречаться между символами без возникновения ошибки.
С другой стороны, большая плотность символов в RTU позволяет повысить пропускную способность данных по сравнению с ASCII для той же скорости бод (модуляции), но каждое сообщение должно передаваться в непрерывном потоке.
На рисунке 11 показан блок данных протокола (PDU) для форматов кадров ASCII и RTU.
Рисунок 11 - Модуль данных протокола Modbus ASCII и RTU (PDU)
Между тем, ModBus TCP / IP модифицируется из фрейма PDU с помощью Ethernet-TCP / IP в качестве дополнительной технологии передачи данных для протокола ModBus.
Во-первых, алгоритм «Проверка ошибок» в конце кадра удаляется, а поле «Адрес» (адрес подчиненного устройства) заменяется новым заголовком, называемым заголовком ModBus APplication (MBAP). Этот заголовок состоит из (i) Идентификатора транзакции, (ii) Идентификатора протокола, (iii) Поле длины и (iv) Идентификатора устройства.
На рисунке 12 показан блок данных приложения (ADU) для формата кадра TCP / IP (сравните с сообщением PDU).
Разница между ModBus и DNP 3.0 является целью коммуникации. ModBus подходит для связи внутри подстанций, которые используются для связи с устройствами, предназначенными для контроля и измерения защиты.
Рисунок 12 - Сравнение кадров сообщений между PDU ModBus и ADU
Между тем DNP 3.0 подходит для связи вне подстанций (передача данных от подстанции в мастер-центры управления). Это связано с тем, что протокол ModBus имеет ограниченные функциональные коды, а DNP 3.0 поддерживает конкретные объекты данных, которые обеспечивают большую гибкость, надежность и безопасность.
Например, DNP 3.0 имеет «Код функции управления» для выполнения определенной функции.
Кроме того, протокол ModBus является прототипом для проприетарных протоколов, таких как протоколы K-BUS и SPA, которые принадлежат Areva-Alstom и ABB, соответственно.
Вернуться к содержанию ↑
3.2.3 IEC 61850
IEC 61850 - это стандарт электрической подстанции, разработанный Международной электротехнической комиссией (IEC).
Модели данных, определенные в протоколе IEC 61850, могут быть сопоставлены с различными протоколами, например, с событиями универсальной объектно-ориентированной подстанции (GOOSE), которая позволяет использовать как аналоговый, так и цифровой обмен данными между одноранговыми узлами (далее ЗДЕСЬ).
Протокол включает теги времени, а также сообщения, которые можно обменивать асинхронно.
Типичная скорость обработки составляет 12 миллисекунд.
IEC 61850 обеспечивает много преимуществ по сравнению с другими протоколами, например, программирование может быть выполнено независимо от проводки, более высокая производительность при большем количестве обмена данными, или данные передаются несколько раз, чтобы избежать отсутствия информации.
Вернуться к содержанию ↑
3.2.4 LON
Протокол Local Operating Network (LON) сравнивает все семь уровней модели OSI. Он способен устанавливать сетевые коммуникации не только для приложений энергосистем, но также для автоматизации производства, управления технологическими процессами, построения сетей, транспортных сетей и т. Д.
Это может рассматриваться как недостаток перспективы ретрансляционной связи, поскольку протокол LON занимает семь уровней для передачи информации, таким образом, он обеспечивает более низкие обменные курсы данных по сравнению с моделью EPA, такой как DNP 3.0.
Вернуться к содержанию ↑
АНЕКС
Сравнение релейных характеристик между разными поставщиками
| защита | Поставщики (их методы общения) | |||
| GE | ABB | SEL | ALSTOM | |
|
Генератор защита |
RS232; RS485; | RS232; RS485; IEC | SEL; ModBus | RS232; RS485; |
|
дифференцированный защита |
||||
|
Расстояние защита |
RS232; RS485; DNP 3.0; ModBus RTU / ASCII |
|||
|
Больше / Меньше Защита от перенапряжения |
RS232; RS485; | RS232; RS485; IEC | ||
|
сверхток защита |
EIA 485; ModBus RTU; EIA 232 |
|||
Вернуться к содержанию ↑
Ссылка // Система энергосберегающих реле: основные понятия, устройства промышленного класса и механизмы связи Рухирой Леларуджи и д-р Луиджи Ванфретти (Королевский технологический институт KTH - Департамент электроэнергетических систем)