Цифровые каналы связи

red90;;Лекция 4. Цифровые каналы связи

Цели применения цифровых каналов связи на объектах электроэнергетики

С развитием компьютерных технологий и приходом цифровых устройств в электроэнергетику появилась возможность использовать и цифровые каналы связи. Основными целями их применения являются:

повышение надежности;
удобство эксплуатации;
снижение материальных затрат на устройство, эксплуатацию и реконструкцию.

Преимущества и недостатки цифровых каналов связи перед аналоговыми

Переход на цифровые каналы связи имеет ряд неоспоримых преимуществ, по сравнению с применением аналоговых каналов, а именно:

позволяет снизить количество кабелей вторичной коммутации на ПС;
обеспечивает лучшую помехозащищенность канала связи;
позволяет снизить время монтажных и пусконаладочных работ;
исключает проблему излишнего срабатывания дискретных входов терминалов из-за замыканий на землю в цепях оперативного постоянного тока;
убирает зависимость количества передаваемых сигналов от количества дискретных входов и выходных реле терминалов;
обеспечивает возможность реконструкции и изменения связей между устройствами РЗА без прокладки дополнительных кабельных связей и повторного монтажа в шкафах;
позволяет использовать МП терминалы РЗА с меньшим количеством входов и выходов (уменьшение габаритов и стоимости устройства);
позволяет контролировать возможность прохождения сигнала (увеличивается надежность).

Недостатки применения цифровых каналов связи определяются, в основном, усложнением технологии передачи, приводящей к следующим проблемам:

проектирование, монтаж, наладку и обслуживание цифровых линий связи может производить только специально обученный персонал высокой квалификации;
в настоящее время практически нет внедрений решений «горячего» резервирования 100% оборудования, а это значит, что при выходе из строя одного устройства или кабеля пропадает сразу большое количество информации;
надежность во многом определяется зачастую несовершенным аппаратным и программным обеспечением, а также ошибками на этапе конфигурирования терминалов;
большое количество сигналов на подстанции и быстротечность электрических процессов определяют высочайшие требования к быстродействию применяемого коммутационного оборудования;
невозможность применения с аналоговым оборудованием – необходимы устройства согласования с объектом (УСО).

Несмотря на указанные недостатки, можно предсказать дальнейшее активное вытеснение аналоговых каналов связи цифровыми, вплоть до практически полного исключения первых.

Основной проблемой развития цифровых каналов связи в электроэнергетики стала проблема совместимости:

Десятки различных производителей микропроцессорного оборудования изобретали велосипеды, разрабатывая все новые интерфейсы и протоколы для своих устройств.
Программное обеспечение SCADA-системы должно было содержать огромное количество драйверов и протоколов для интеграции всех устройств на ПС
Разработчики стали применять стандартизированные протоколы обмена, такие как Modbus, DNP-3, МЭК 60870-5-101, -103, -104. С развитием сетей Ethernet и семейства протоколов TCP/IP, МЭК разработала и совершенствует относительно новый стандарт «Коммуникационные сети и системы подстанций» - МЭК-61850, активно развивающийся и внедряющийся на подстанциях всего мира, в т.ч. и в РФ. Принцип построения сетей по указанным протоколам будет рассмотрен ниже.

Сетевая модель OSI
Общие положения

Сетевая модель OSI (англ. open systems interconnection basic reference model — базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, сокр. ЭМВОС; 1978 г.) — абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов.

Цифровые данные передаются посредством серий нулей и единиц, называемых битами. Один символ (буква, цифра или любой другой символ, например, вопросительный знак) передается сериями битов (обычно по 8, в зависимости от используемого протокола), называемыми байтами. Серии байтов отправляются блоками данных, которые содержат сообщение. Это исходные данные, которые необходимо передать. Принцип проиллюстрирован на рис.

В сложных шинных топологиях с обменом данными между равноправными узлами к исходным данным необходимо добавлять достаточно много информации, например, отметку времени, информацию, содержащую более развитое обнаружение и исправление ошибок, информацию контроля передачи данных, информацию протокола, информацию контекста и т.д.

Необходимость добавлять всю эту информацию к исходным данным может привести, и часто приводит, к большой путанице и несовместимости между разными устройствами в сети

Протокол OSI был создан Международной организацией по стандартизации (ISO) для обеспечения всемирно признанной структуры обмена данными.

Модель OSI представляет собой семиуровневый стек, в котором модулируется сообщение (исходные данные). То, как применяются эти семь уровней (не обязательно использовать все семь уровней), определяет выбор протокола обмена данными. Модель OSI проиллюстрирована на рис. 6.9.

Физический уровень

Для построения компьютерных сетей применяются линии связи, использующие различную физическую среду. Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель "витая пара", коаксиальные кабель, волоконно-оптический кабель и окружающее пространство.

Линии связи или линии передачи данных - это промежуточная аппаратура и физическая среда, по которой передаются информационные сигналы (данные).

В одной линии связи можно образовать несколько каналов связи (виртуальных или логических каналов), например путем частотного или временного разделения каналов. Канал связи - это средство односторонней передачи данных. Если линия связи монопольно используется каналом связи, то в этом случае линию связи называют каналом связи.

Канал передачи данных - это средства двухстороннего обмена данными, которые включают в себя линии связи и аппаратуру передачи (приема) данных. Каналы передачи данных связывают между собой источники информации и приемники информации.

В зависимости от физической среды передачи данных линии связи можно разделить на:

проводные линии связи без изолирующих и экранирующих оплеток;

кабельные, где для передачи сигналов используются такие линии связи как кабели "витая пара", коаксиальные кабели или оптоволоконные кабели;

беспроводные (радиоканалы наземной и спутниковой связи), использующие для передачи сигналов электромагнитные волны, которые распространяются по эфиру.

Канальный уровень

Канальный уровень обеспечивает синхронизацию (старт/стоп, продолжительность) и защиту от ошибок (обнаружение и исправление) для информации, передаваемой по физическому каналу связи. Этот уровень определяет информация, предоставляемая физическим уровнем.

Сетевой уровень

Этот уровень обеспечивает средства для установления, поддержания и прерывания соединений между станциями, включая маршрутизацию и адресные функции.

Транспортный уровень

Транспортный уровень предоставляет сквозное управление и обмен данными на том уровне надежности, который требует данное приложение (например, подтверждение соединений, задание последовательности и т.д.). Функция этого уровня — обеспечение связи между конечными пользователями и сетью.

Сеансовый, представления и прикладной уровни

Этот уровень поддерживает диалоговые требования шины, определяя, кому будет разрешено передавать информацию, отдавая команды начала/окончания передачи и устанавливая отношения по связи. В данном контексте скорее определяются прикладные процессы (ПП), чем физические станции.

Этот уровень обеспечивает преобразование данных, другими словами, согласует кодировку, или «язык» информации.

Этот уровень служит напрямую конечному пользователю, ПП, предоставляя информацию для поддержки ПП и управления обмена данными Таким образом, этот уровень точно определяет для ПП информацию и ее содержание.

Можно сказать, что определенные приложения находятся на самом верху уровня приложения.

Пример:

По сети необходимо переслать значение электрического напряжения. Это значение будет закодировано в цифровой формат с помощью аналого-цифрового преобразователя, не являющегося частью коммуникационной сети. В данном случае ПП — это измерение напряжения.

Как показано на рис. 6.10, данные будут перемещаться вниз по стеку OSI, и каждый уровень будет добавлять к ним информацию.
Уровень приложения добавит значение к цифровым данным, являющимся просто параметром, описав их как показатель электрического напряжения, указав тип напряжения (например, межфазное напряжение), единицу измерения (вольт, милливольт, киловольт) и т.д.
Затем уровень представления представит эту информацию на подходящем для использования языке, например, в формате ASCII.

Сеансовый уровень инициирует передачу этой информации по сети

Транспортный слой будет контролировать передачу, обеспечивая надежность информации и безопасность передачи.

Сетевой уровень добавит информацию о маршрутизации и адресе.
Канальный уровень обеспечит синхронизацию и защиту данных от ошибок, а
Физический уровень обеспечит конвертацию всего информационного блока в физическое средство, используемое для передачи, например, световые импульсы для передачи по оптоволоконному кабелю.

Теперь эта информация, состоящая из блока цифровых битов, будет передана с помощью физического средства передачи. Принимающий узел получает эти данные, и в процессе, обратном описанному, «наносная» информация будет счищаться до тех пор, пока не останутся только данные приложения.

Жизненная важность того, чтобы и отправитель, и получатель обрабатывали данные абсолютно одинаковым способом, очевидна — иначе получатель неправильно раскодирует данные, что может привести к ужасным последствиям (это легко представить!), или вообще не получит информации.

Нужно отметить, что на практике полный семиуровневый стек используется только для передачи данных по сети. Для двухточечных соединений или для более простых сетей, использующих метод передачи, требующий присутствия главной станции или администратора шины, не требуются все семь стеков.

Критерии эффективности. Домашнее задание

Скорость передачи

Ширина полосы пропускания

Отношение «сигнал/шум»

Пропускная способность

Интенсивность ошибок

Время отклика

Наиболее распространенные интерфейсы и протоколы, применяемые в АСУ ТП электроэнергетических объектов
Интерфейс «Токовая петля»

Интерфейс «Токовая петля» представляет собой способ передачи информации с помощью измеряемых значений силы электрического тока. В настоящее время такой способ более распространён в инженерной практике, чем использование для этой цели напряжения. Для задания измеряемых значений тока используется, как правило, управляемый источник тока. По виду передаваемой информации различаются аналоговая токовая петля и цифровая токовая петля. Для аналоговой токовой петли используются, как правило, сигналы 4-20 мА. Основное преимущество токовой петли — то, что точность не зависит от длины и сопротивления линии передачи, поскольку управляемый источник тока будет автоматически поддерживать требуемый ток в линии. Вдобавок, такая схема позволяет запитывать датчик непосредственно от линии передачи. Несколько приемников можно соединять последовательно, источник тока будет поддерживать требуемый ток во всех одновременно (согласно закону Кирхгофа). RS-232 практически полностью вытеснил цифровую «токовую петлю».

RS-232

RS-232 — интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 15 метров. Информация передается по проводам цифровым сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому "0" соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а логической "1" отрицательное (от -5 до -15 В для передатчика). Асинхронная передача данных осуществляется с фиксированной скоростью при самосинхронизации фронтом стартового бита.

Устройства для связи по последовательному каналу соединяются кабелями с 9-ю или 25-ю контактными разъёмами типа D-sub. Для DB-9 контакт 2 - вход приемника, контакт 3 - выход передатчика.

Используется для соединений точка-точка на расстояние до 15 м.

RS-485/422
1. Описание и принцип работы

RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику.

RS-485 - полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются в режиме приема.

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего ("земли"). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель - дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

8Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи.

Линия связи должна представлять собой один кабель витой пары. К этому кабелю присоединяются все приемники и передатчики. Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

В оба наиболее удаленных конца кабеля (Zв=120 Ом) включают согласующие резисторы Rt по 120 Ом (0.25 Вт). Если в системе только один передатчик и он находится в конце линии, то достаточно одного согласующего резистора на противоположном конце линии.

Коммуникационные протоколы, работающие по интерфейсам RS-485/422
1. Modbus

Modbus - открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре «клиент-сервер».

Основные достоинства стандарта - открытость и массовость. Огромное количество датчиков и исполнительных устройств выпущено промышленностью. Практически все промышленные системы контроля и управления имеют программные драйвера для работы с MODBUS сетями.

Стандарт в своей основе был написан очень давно и многие актуальные для современных промышленных сетей вопросы не были учтены.

Стандарт специфицирует метод передачи только двух типов данных. Отсутствие четкого указания в стандарте привело к тому что с другими типами данных сторонние производители MODBUS-решений поступали по своему усмотрению. Разброд де-факто в этом вопросе не позволил впоследствии сделать уточнения в официальном документе: это вызвало бы всплеск недовольства производителей и возможную войну форматов.

Стандарт не позволяет никакой оперативной сигнализации от конечного устройства к мастеру в случае необходимости (прерывания). Нужно ждать своей очереди в опросе. Это существенно ограничивает применимость MODBUS-решений в системах управления реального времени.

Стандарт не позволяет конечным устройствам обмениваться фиксированными данными друг с другом без участия мастера. Это существенно ограничивает применимость MODBUS-решений в системах регулирования реального времени.

Стандарт не предлагает никаких решений по начальной инициализации системы. Назначение сетевых адресов и прописывание в системе параметров каждого конкретного устройства выполняются вручную.

DNP-3

Был разработан для удобного взаимодействия между различными типами устройств и систем управления. Может применяться на различных уровнях АСУ ТП. Применяется, в основном, в США, Канаде, Австралии. В России не получил распространения.

Семейство протоколов 60870-5

Стандарт IEC (МЭК) 60870-5 определяет базовый протокол передачи простых сообщений для удалённого контроля между двумя системами, основанный на использовании постоянного соединения передачи данных между системами.

МЭК-60870-5-101 применяется для обмена потоками информации между различными автоматизированными системами как в пределах подстанции, так и между подстанцией и диспетчерскими центрами управления. Стандарт МЭК-60870-5-104 позволяет передавать данные в формате МЭК-60870-5-101 средствами Ethernet.

МЭК-60870-5-103 разработан специально для сбора информации с устройств защиты (РЗА) и описывает формат специфических данных, получаемых с них в АСУ ТП.

Сети Ethernet
Стек протоколов TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP – набор сетевых протоколов разных уровней модели сетевого взаимодействия DOD (министерство обороны США), используемых в сетях.

Стек протоколов TCP/IP основан на модели сетевого взаимодействия DOD и включает в себя протоколы четырёх уровней:

прикладного (application),
транспортного (transport),
сетевого (network),
канального (data link).

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI. На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.

Каналы связи, используемые в сетях Ethernet

Сети Ethernet могут быть построены на различных физических носителях:

Радиоволны (Wi-Fi, WiMAX и т.д.) – на подстанциях практически не используются в силу больших электромагнитных помех.
Коаксиальный кабель
Кабель «витая пара». Наиболее широко распространен. На подстанциях используются кабели STP (экранированные кат. 5, 6), представляющие собой 4 витых пары изолированных медных проводов, покрытых общей оболочкой. Оконцовываются разъемом RJ-45.
Оптический кабель. Преимущества – отличная помехозащищенность, большая протяженность без повторителей. Недостатки – сложность оконцовки, высокая стоимость, хрупкость.
Коммутационное оборудование

Применяются репитеры, коммутаторы, маршрутизаторы.

Стандарт МЭК-61850
Основные положения

МЭК-61850 задумывался как универсальный стандарт, который позволит упорядочить разрозненные решения различных производителей устройств релейной защиты и систем передачи данных, применяемых на подстанциях.

Стандарт получился достаточно сложным именно из-за своей универсальности. Он описывает не только как передаются данные, но и закрепляет требования к описанию электрических систем на всех уровнях, начиная от уровня системы в целом, заканчивая конфигурацией отдельного терминала РЗА.

Согласно этим требованиям, система описывается в понятной и стандартизованной форме. Вся информация о конфигурациях хранится в файлах определенного формата. Это приводит к тому, что разработка систем на базе 61850 проста и понятна.

Кроме того, в стандарте прописаны требования по электромагнитной совместимости, по взаимозаменяемости устройств и т. д.

Значительная часть стандарта посвящена протоколам передачи данных — MMS и GOOSE.

Преимущества стандарта

Основным требованием к системе сбора данных в стандарте является обеспечение способности микропроцессорных электронных устройств к обмену технологическими и другими данными. Стандарт предъявляет следующие требования к системе:

Высокоскоростной обмен данными микропроцессорных электронных устройств между собой (одноранговая связь).

Привязка к подстанционной ЛВС.

Высокая надежность.

Гарантированное время доставки.

Функциональная совместимость оборудования различных производителей.

Средства поддержки чтения осциллограмм.

Средства поддержки передачи файлов.

Конфигурирование / автоматическое конфигурирование.

Поддержка функций безопасности.

МЭК 61850 является объектноориентированным протоколом, фокусированным на автоматизацию подстанций, и значительно расширяет возможности предшествующих стандартов МЭК. Из-за сложности программной реализации МЭК 61850, что включает реализацию целого ряда стандартов по передаче данных (MMS ISO 9506, стека протоколов ISO, GOOSE и GSSE), на рынке практически отсутствуют надежные готовые решения, позволяющие принимать данные с устройств, поддерживающих 61850.

Передача данных в системах на базе МЭК-61850 В основном в РЗА

Согласно 61850 устройства РЗА объединены шиной, по которой сами устройства обмениваются данными между собой и передают эти данные на верхний уровень. Такая архитектура удобна тем, что применение технологической шины значительно уменьшает количество медных проводов, что упрощает настройку, проектирование и эксплуатацию системы.

Данные от терминалов релейной защиты по станционной шине могут передаваться на верхний уровень оператору, кроме того, у контролирующих органов, имеющих соответствующий уровень доступа, есть возможность получать оперативные данные с любой подстанции и с любого терминала РЗА. Эта информация позволяет контролировать деятельность подчиненных служб, что повышает надежность энергетических объектов в целом.

Возможность такого гибкого конфигурирования информационных потоков появилась, благодаря той части стандарта, которая посвящена передаче данных.

Основными протоколами передачи данных, согласно стандарту МЭК-61850, являются протоколы MMS и GOOSE.

MMS используется для передачи данных от терминалов РЗА в SCADA систему для дальнейшей визуализации, а GOOSE — для обмена данными между терминалами.

Важной особенностью протоколов является гарантированная доставка сообщений, а скорость передачи данных у ММS и GOOSE выше, чем у других протоколов передачи данных, таких как, например, Modbus.

Структурная схема АСУ ТП, построенной в соответствии с МЭК-61850

Программно-технический комплекс АСУ ТП ПС, как правило, имеет трехуровневую архитектуру.:
Нижний уровень образуют локальные устройства сопряжения с объектом (УСО), цифровые устройства релейной защиты и автоматики (ЦРЗА) и контроллеры технологических систем.
Средний уровень образуют базовые серверы системы, коммутационное оборудование, устройства синхронизации времени, шлюзы.
Верхний уровень образуют автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов и SCADA-системы верхнего уровня.

Надежность передачи GOOSE-сообщений

обеспечивается следующим:

Протокол МЭК 61850 использует Ethernet-сеть, за счет этого выход из строя верхнего уровня АСУ ТП и любого из устройств РЗА не отражается на передаче GOOSE-сообщений оставшихся в работе устройств,
Терминалы РЗА имеют два независимых Ethernet-порта, при выходе одного из них из строя второй его полностью заменяет,
Сетевые коммутаторы, к которым подключаются устройства РЗА, соединяются в два независимых «кольца»,
Разные порты одного терминала РЗА подключаются к разным сетевым коммутаторам, подключенным к разным «кольцам»,
Каждый сетевой коммутатор имеет дублированное питание от разных источников,
Во всех устройствах РЗА осуществляется постоянный контроль возможности прохождения каждого сигнала. Это позволяет автоматически определить не только отказы цифровой связи, но и ошибки параметрирования терминалов.

Цифровые каналы связи