НовиниЕлектротехніки №6(78), СТАНДАРТ МЕК 61850

Релейний захист • МЕК 61850

Продовжуємо цикл публікацій «Релейний захист. МЕК 61850», в рамках якого будуть розглянуті всі частини стандарту та описуваних ним протоколів (початок циклу – див. «Новини ЕлектроТехніки» № 3(75) 2012, № 4(76) 2012, № 5(77) 2012). Члени робочої групи 10 Технічного комітету 57 «Управління електроенергетичними системами та супутні технології обміну інформацією» МЕК, що займається розробкою стандарту, Олексій Олегович Аношин та Олександр Валерійович Головін сьогодні розглядають основний протокол обміну сигналами – GOOSE.

Олексій Аношин, виконавчий директор

Олександр Головін, технічний директор

СТАНДАРТ МЕК 61850 Протокол GOOSE

Протокол GOOSE, описаний главою МЕК 61850-8-1, є одним з найбільш широко відомих протоколів, передбачених стандартом МЕК 61850. Однак на практиці не варто надавати великого значення оригінальній назві, оскільки вона не дає жодного уявлення про сам протокол. Набагато зручніше розуміти протокол GOOSE як сервіс, призначений обмінюватись сигналами між РЗА в цифровому вигляді.

ФОРМУВАННЯ GOOSE-ПОВІДОМЛЕНЬ

Мал. 1. Формування даних для GOOSE-повідомлення

Слід зазначити, що в рамках одного GOOSE-повідомлення може надсилатись як одне значення (наприклад, сигнал пуску МТЗ), так і одночасно кілька значень (наприклад, сигнал пуску та сигнал спрацьовування МТЗ і т.д.). Пристрій-одержувач при цьому може витягти з пакета ті дані, які йому необхідні.

Пакет GOOSE-повідомлення, що передається, містить усіпоточні значення атрибутів даних, внесених до набору даних. При зміні якогось із значень атрибутів пристрій моментально ініціює надсилання нового GOOSE-повідомлення з оновленими даними (рис. 2).

Мал. 2. Передача GOOSE-повідомлень

За призначенням GOOSE-повідомлення покликане замінити передачу дискретних сигналів по мережі оперативного струму. Розглянемо, які вимоги у своїй пред'являються протоколу передачі.

ЦИФРОВІ КОМУНІКАЦІЇ ВЗАМІН АНАЛОГОВИХ

Для розробки альтернативи ланцюгам передачі сигналів між пристроями релейного захисту проаналізовано властивості інформації, що передається між пристроями РЗА за допомогою дискретних сигналів:

Перелічені вимоги призвели до розробки механізму GOOSE-повідомлень, що відповідають усім вимогам, що висуваються.

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ШВИДКОСТІ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ

У аналогових ланцюгах передачі сигналів основну затримку при передачі сигналу вносить час спрацьовування дискретного виходу пристрою та час фільтрації брязкоту на дискретному вході приймаючого пристрою. Час поширення сигналу по провіднику порівняно з цим замало.

Аналогічно в цифрових мережах передачі даних основну затримку вносить не так передача сигналу по фізичному середовищу, як його обробка всередині пристрою.

У теорії мереж передачі даних прийнято сегментувати послуги передачі даних відповідно до рівнів моделі OSI [2] (табл. 1), як правило, спускаючись від «Прикладного», тобто рівня прикладного представлення даних, до «Фізичного», тобто до рівня фізичної взаємодії пристроїв.

Таблиця 1. Стандартна семирівнева модель OSI

У класичному представленні модель OSI має лише сім рівнів: фізичний, канальний,мережевий, транспортний, сеансовий, представницький та прикладний. Проте протоколи, що реалізуються, можуть мати не всі зазначені рівні, тобто деякі рівні можуть бути пропущені.

Передача вмісту сторінок до Інтернету здійснюється за протоколом HTTP (Hypertext Transfer Protocol), що є протоколом прикладного рівня. Передача даних протоколу HTTP зазвичай здійснюється транспортним протоколом TCP (Transmission Control Protocol). Сегменти протоколу TCP інкапсулюються в пакети мережного протоколу, якою у разі виступає IP (Internet Protocol). Пакети протоколу TCP становлять кадри протоколу канального рівня Ethernet, які залежно від мережного інтерфейсу можуть передаватися з різного фізичного рівня. Таким чином, дані сторінки, що переглядається в мережі Інтернет, проходять як мінімум чотири рівні перетворення при формуванні послідовності бітів на фізичному рівні і потім стільки ж кроків зворотного перетворення.

Така кількість перетворень веде до виникнення затримок як при формуванні послідовності бітів з метою їх передачі, так і при зворотному перетворенні з метою отримання даних, що передаються. Відповідно для зменшення часу затримок кількість перетворень має бути зведена до мінімуму. Саме тому дані протоколу GOOSE (прикладного рівня) призначаються безпосередньо на канальний рівень – Ethernet, минаючи інші рівні.

Загалом у розділі МЕК 61850-8-1 представлено два комунікаційних профілю, якими описуються всі протоколи передачі даних, передбачені стандартом:

Профіль MMS;
Профіль Non-MMS (тобто не-MMS).

Відповідно послуги передачі даних можуть бути реалізовані з використаннямодного із зазначених профілів. Протокол GOOSE (як і протокол Sampled Values) відноситься саме до другого профілю.

Використання «укороченого» стека з мінімальною кількістю перетворень - це важливий, проте не єдиний спосіб прискорення передачі даних. Також прискоренню передачі даних протоколу GOOSE сприяє використання механізмів розміщення пріоритетів даних. Так, для протоколу GOOSE використовується окремий ідентифікатор кадру Ethernet – Ethertype, який має явно більший пріоритет у порівнянні з рештою трафіку, наприклад, що передається з використанням мережевого рівня IP.

Крім розглянутих механізмів, кадр Ethernet GOOSE-повідомлення також може забезпечуватись мітками пріоритету протоколу IEEE 802.1Q та мітками віртуальних локальних мереж протоколу ISO/IEC 8802-3. Такі мітки дозволяють підвищити пріоритет кадрів при обробці їх комутаторами. Докладніше ці механізми підвищення пріоритету будуть розглянуті у наступних публікаціях.

Використання всіх розглянутих методів дозволяє значно підвищити пріоритет даних, що передаються за протоколом GOOSE, в порівнянні з іншими даними, що передаються по тій же мережі з використанням інших протоколів, тим самим зводячи до мінімуму затримки як при обробці даних всередині пристроїв джерел та приймачів даних, так і під час обробки їх мережними комутаторами.

ВІДПРАВЛЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ КІЛЬКАМ АДРЕСАТАМ

Тому передачу GOOSE-повідомлень можна порівняти з радіотрансляцією: повідомлення транслюється всім пристроям у мережі, але для отримання та подальшої обробки повідомлення пристрій-приймач має бути налаштований на отримання цього повідомлення (рис. 4).

Мал. 4. Схема передачі GOOSE-повідомлень

ГАРАНТОВАНАДОСТАВКА ПОВІДОМЛЕНЬ І КОНТРОЛЬ СТАНУ КАНАЛУ

Натомість для GOOSE-повідомлень було реалізовано спеціальний механізм, що забезпечує високу ймовірність доставки даних.

По-перше, в умовах відсутності змін у атрибутах даних, що передаються, пакети з GOOSE-повідомленнями передаються циклічно через встановлений користувачем інтервал (рис. 5а). Циклічна передача GOOSE-повідомлень дозволяє постійно діагностувати інформаційну мережу. Пристрій, налаштований на прийом повідомлення, очікує на його прихід через заданий інтервал часу. У випадку, якщо повідомлення не надійшло протягом часу очікування, пристрій може сформувати сигнал про несправність в інформаційній мережі, оповіщаючи диспетчера про проблеми, що виникли.

По-друге, при зміні одного з атрибутів переданого набору даних, незалежно від того, скільки часу пройшло з моменту відправки попереднього повідомлення, формується новий пакет, який містить оновлені дані. Після чого відправлення цього пакета повторюється кілька разів з мінімальною витримкою часу (рис. 5б), а інтервал між повідомленнями (у разі відсутності змін у переданих даних) знову збільшується до максимального.

Мал. 5. Інтервал між відправками GOOSE-повідомлення

По-третє, у пакеті GOOSE-повідомлення передбачено кілька полів-лічильників, за якими також може контролюватись цілісність каналу зв'язку. До таких лічильників, наприклад, відноситься циклічний лічильник посилок (sqNum), значення якого змінюється від 0 до 4294967295 або до зміни даних, що передаються. При кожній зміні даних, що передаються в GOOSE-повідомленні, лічильник sqNum скидатиметься. При цьому збільшується на 1 інший лічильник - stNum, що також циклічно змінюється в діапазоні від 0 до 4294967295. При втраті декількох пакетів при передачі цю втрату можна буде відстежити за двома вказаними лічильниками.

Нарешті, по-четверте, важливо відзначити, що в посилці GOOSE, крім самого значення дискретного сигналу, може міститися ознака його якості, який ідентифікує певну апаратну відмову пристрою-джерела інформації, знаходження пристрою-джерела інформації в режимі тестування та ряд інших позаштатних режимів. Таким чином, пристрій-приймач, перш ніж обробити отримані дані згідно з передбаченими алгоритмами, має виконати перевірку цієї ознаки якості. Це може запобігти неправильній роботі пристроїв-приймачів інформації (наприклад, їх помилковій роботі).

Слід мати на увазі, що деякі із закладених механізмів забезпечення надійності передачі даних при їх неправильному використанні можуть призводити до негативного ефекту. Так, у разі вибору занадто короткого максимального інтервалу між повідомленнями навантаження на мережу збільшується, хоча з точки зору готовності каналу зв'язку ефект зменшення інтервалу передачі буде вкрай незначним.

При зміні атрибутів даних передача пакетів з мінімальною витримкою часу викликає підвищене навантаження на мережу (режим «інформаційного шторму»), що теоретично може призводити до виникнення затримок під час передачі даних. Такий режим є найскладнішим і має братися за розрахунковий під час проектування інформаційної мережі. Однак слід розуміти, що пікове навантаження дуже короткочасне і його багаторазове зниження, згідно з проведеними нами дослідами в лабораторії з дослідження функціональної сумісності пристроїв, що працюють за умовами стандарту МЕК 61850, кафедри РЗіАЕС НДУ МЕІ, спостерігається на інтервалі в 10 мс.

НАЛАДКА ІПЕРЕВІРКА

При побудові систем РЗА на основі протоколу GOOSE змінюються процедури їх налагодження та тестування. Тепер етап налагодження полягає в організації мережі Ethernet енергооб'єкта із включенням до неї всіх пристроїв РЗА, між якими потрібно здійснювати обмін даними. Для перевірки того, що система налаштована та включена відповідно до вимог проекту, стає можливим використання персонального комп'ютера зі спеціальним встановленим програмним забезпеченням (Wireshark, GOOSE Monitor та ін.) або спеціального перевірочного обладнання з підтримкою протоколу GOOSE (РЕТОМ 61850, Omicron CMC).

Важливо, що це перевірки можна проводити, не порушуючи попередньо встановлені з'єднання між вторинним устаткуванням (пристроями РЗА, комутаторами та інших.), оскільки обмін даними проводиться у мережі Ethernet. При обміні дискретними сигналами між пристроями РЗА традиційним способом (подачею напруги на дискретний вхід пристрою-приймача при замиканні вихідного контакту пристрою, що передає дані), часто потрібно розривати з'єднання між вторинним обладнанням для включення в ланцюг випробувальних установок з метою перевірки правильності електричних з'єднань і передачі відповідних дискретних сигналів

Протокол GOOSE передбачає цілий комплекс заходів, спрямованих на забезпечення необхідних характеристик швидкодії та надійності при передачі відповідальних сигналів. Застосування даного протоколу у поєднанні з правильним проектуванням та параметруванням інформаційної мережі та пристроїв РЗА дозволяє у ряді випадків відмовитись від використання ланцюгів з мідними провідниками для передачі сигналів, забезпечуючи при цьому необхідний рівень надійності та швидкодії.