Релейная защита • МЭК 61850

Продолжаем цикл публикаций «Релейная защита. МЭК 61850», в рамках которого будут рассмотрены все части стандарта и описываемых им протоколов (начало цикла – см. «Новости ЭлектроТехники» № 3(75) 2012, № 4(76) 2012, № 5(77) 2012).
Члены рабочей группы 10 Технического комитета 57 «Управление электроэнергетическими системами и сопутствующие технологии обмена информацией» МЭК, занимающейся разработкой стандарта, Алексей Олегович Аношин и Александр Валерьевич Головин сегодня рассматривают основной протокол обмена сигналами – GOOSE.

Алексей Аношин, исполнительный директор	Александр Головин, технический директор
ООО «ТЕКВЕЛ», г. Москва

СТАНДАРТ МЭК 61850
Протокол GOOSE

Протокол GOOSE, описанный главой МЭК 61850-8-1, является одним из наиболее широко известных протоколов, предусмотренных стандартом МЭК 61850. Дословно расшифровку аббревиатуры GOOSE – Generic Object-Oriented Substation Event – можно перевести как «общее объектно-ориентированное событие на подстанции». Однако на практике не стоит придавать большое значение оригинальному названию, поскольку оно не дает никакого представления о самом протоколе. Гораздо удобнее понимать протокол GOOSE как сервис, предназначенный для обмена сигналами между РЗА в цифровом виде.

ФОРМИРОВАНИЕ GOOSE-СООБЩЕНИЙ

В предыдущей публикации [1] мы рассмотрели информационную модель устройства, организацию данных и остановились на формировании наборов данных – Dataset. Наборы данных используются для группировки данных, которые будут отправлять с использованием механизма GOOSE-сообщения. В дальнейшем в блоке управления отправкой GOOSE указывается ссылка на созданный набор данных. В таком случае устройство знает, какие именно данные отправлять (рис. 1).

Рис. 1. Формирование данных для GOOSE-сообщения

Следует отметить, что в рамках одного GOOSE-сообщения может отправляться как одно значение (например, сигнал пуска МТЗ), так и одновременно несколько значений (например, сигнал пуска и сигнал срабатывания МТЗ и т.д.). Устройство-получатель при этом может извлечь из пакета лишь те данные, которые ему необходимы.

Передаваемый пакет GOOSE-сообщения содержит все текущие значения атрибутов данных, внесенных в набор данных. При изменении какого-либо из значений атрибутов устройство моментально инициирует посылку нового GOOSE-сообщения с обновленными данными (рис. 2).

Рис. 2. Передача GOOSE-сообщений

По своему назначению GOOSE-сообщение призвано заменить передачу дискретных сигналов по сети оперативного тока. Рассмотрим, какие требования при этом предъявляются к протоколу передачи данных.

ЦИФРОВЫЕ КОММУНИКАЦИИ ВЗАМЕН АНАЛОГОВЫХ

Для разработки альтернативы цепям передачи сигналов между устройствами релейной защиты были проанализированы свойства информации, передаваемой между устройствами РЗА посредством дискретных сигналов:

– Малый объем информации: между терминалами фактически передаются значения «истина» и «ложь» (или логический «ноль» и «единица»);
– Требуется высокая скорость передачи информации. Больша´я часть дискретных сигналов, передаваемых между устройствами РЗА, прямо или косвенно влияет на скорость ликвидации ненормального режима, поэтому передача сигнала должна осуществляться с минимальной задержкой;
– Требуется высокая вероятность доставки сообщения для реализации ответственных функций, таких как подача команды отключения выключателя от РЗА, обмен сигналами между РЗА при выполнении распределенных функций. Необходимо обеспечение гарантированной доставки сообщения как в нормальном режиме работы цифровой сети передачи данных, так и в случае ее кратковременных сбоев;
– Возможность передачи сообщений сразу нескольким адресатам. При реализации некоторых распределенных функций РЗА требуется передача данных от одного устройства сразу нескольким;
– Необходим контроль целостности канала передачи данных. Наличие функции диагностики состояния канала передачи данных позволяет повысить коэффициент готовности при передаче сигнала, тем самым повышая надежность функции, выполняемой с передачей указанного сообщения.

Перечисленные требования привели к разработке механизма GOOSE-сообщений, отвечающих всем предъявляемым требованиям.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

В аналоговых цепях передачи сигналов основную задержку при передаче сигнала вносит время срабатывания дискретного выхода устройства и время фильтрации дребезга на дискретном входе принимающего устройства. Время распространения сигнала по проводнику в сравнении с этим мало.

Аналогично в цифровых сетях передачи данных основную задержку вносит не столько передача сигнала по физической среде, сколько его обработка внутри устройства.

В теории сетей передачи данных принято сегментировать сервисы передачи данных в соответствии с уровнями модели OSI [2] (табл. 1), как правило, спускаясь от «Прикладного», то есть уровня прикладного представления данных, к «Физическому», то есть к уровню физического взаимодействия устройств.

Таблица 1. Стандартная семиуровневая модель OSI

В классическом представлении модель OSI имеет всего семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительский и прикладной. Однако реализуемые протоколы могут иметь не все указанные уровни, то есть некоторые уровни могут быть пропущены.

Наглядно механизм работы модели OSI можно представить на примере передачи данных при просмотре WEB-страниц в сети Интернет на персональном компьютере.

Передача содержимого страниц в Интернет осуществляется по протоколу HTTP (Hypertext Transfer Protocol), являющемуся протоколом прикладного уровня. Передача данных протокола HTTP обычно осуществляется транспортным протоколом TCP (Transmission Control Protocol). Сегменты протокола TCP инкапсулируются в пакеты сетевого протокола, в качестве которого в данном случае выступает IP (Internet Protocol). Пакеты протокола TCP составляют кадры протокола канального уровня Ethernet, которые в зависимости от сетевого интерфейса могут передаваться с использованием различного физического уровня. Таким образом, данные просматриваемой страницы в сети Интернет проходят как минимум четыре уровня преобразования при формировании последовательности битов на физическом уровне и затем столько же шагов обратного преобразования.

Такое количество преобразований ведет к возникновению задержек как при формировании последовательности битов с целью их передачи, так и при обратном преобразовании с целью получения передаваемых данных. Соответственно для уменьшения времени задержек количество преобразований должно быть сведено к минимуму. Именно поэтому данные по протоколу GOOSE (прикладного уровня) назначаются непосредственно на канальный уровень – Ethernet, минуя остальные уровни.

Вообще в главе МЭК 61850-8-1 представлены два коммуникационных профиля, которыми описываются все протоколы передачи данных, предусмотренные стандартом:

• Профиль MMS;
• Профиль Non-MMS (то есть не-MMS).

Соответственно сервисы передачи данных могут быть реализованы с использованием одного из указанных профилей. Протокол GOOSE (равно как и протокол Sampled Values) относится именно ко второму профилю.

Использование «укороченного» стека с минимальным количеством преобразований – это важный, однако не един-ственный способ ускорения передачи данных. Также ускорению передачи данных по протоколу GOOSE способствует использование механизмов расстановки приоритетов данных. Так, для протокола GOOSE используется отдельный идентификатор кадра Ethernet – Ethertype, который имеет заведомо больший приоритет по сравнению с остальным трафиком, например передаваемым с использованием сетевого уровня IP.

Помимо рассмотренных механизмов, кадр Ethernet GOOSE-сообщения также может снабжаться метками приоритета протокола IEEE 802.1Q и метками виртуальных локальных сетей протокола ISO/IEC 8802-3. Такие метки позволяют повысить приоритет кадров при обработке их сетевыми коммутаторами. Подробнее эти механизмы повышения приоритета будут рассмотрены в последующих публикациях.

Использование всех рассмотренных методов позволяет значительно повысить приоритет данных, передаваемых по протоколу GOOSE, по сравнению с остальными данными, передаваемыми по той же сети с использованием других протоколов, тем самым сводя к минимуму задержки как при обработке данных внутри устройств источников и приемников данных, так и при обработке их сетевыми коммутаторами.

ОТПРАВКА ИНФОРМАЦИИ НЕСКОЛЬКИМ АДРЕСАТАМ

Для адресации кадров на канальном уровне используются физические адреса сетевых устройств – MAC-адреса. При этом Ethernet позволяет осуществлять так называемую групповую рассылку сообщений (Multicast). В таком случае в поле MAC-адреса адресата указывается адрес групповой рассылки. Для многоадресных рассылок по протоколу GOOSE используется определенный диапазон адресов (рис. 3).

Рис. 3. Диапазон адресов многоадресной рассылки для GOOSE-сообщений

Сообщения, имеющие значение «01» в первом октете адреса, отправляются на все физические интерфейсы в сети, поэтому фактически многоадресная рассылка не имеет фиксированных адресатов, а ее MAC-адрес является скорее идентификатором самой рассылки и не указывает напрямую на ее получателей.

Таким образом, MAC-адрес GOOSE-сообщения может быть использован, например, при организации фильтрации сообщений на сетевых коммутаторах (MAC-фильтрации), а также указанный адрес может служить в качестве идентификатора, на который могут быть настроены принимающие устройства.

Поэтому передачу GOOSE-сообщений можно сравнить с радиотрансляцией: сообщение транслируется всем устройствам в сети, но для получения и последующей обработки сообщения устройство-приемник должно быть настроено на получение этого сообщения (рис. 4).

Рис. 4. Схема передачи GOOSE-сообщений

ГАРАНТИРОВАННАЯ ДОСТАВКА СООБЩЕНИЙ И КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ КАНАЛА

Передача сообщений нескольким адресатам в режиме Multicast, а также требования к высокой скорости передачи данных не позволяют реализовать при передаче GOOSE-сообщений получение подтверждений о доставке от получателей. Процедура отправки данных, формирования получающим устройством подтверждения, прием и обработка его устройством-отправителем и последующая повторная отправка в случае неудачной попытки заняли бы слишком много времени, что могло бы привести к чрезмерно большим задержкам при передаче критических сигналов.

Вместо этого для GOOSE-сообщений был реализован специальный механизм, обеспечивающий высокую вероятность доставки данных.

Во-первых, в условиях отсутствия изменений в передаваемых атрибутах данных пакеты с GOOSE-сообщениями передаются циклически через установленный пользователем интервал (рис. 5а). Циклическая передача GOOSE-сообщений позволяет постоянно диагностировать информационную сеть. Устройство, настроенное на прием сообщения, ожидает его прихода через заданный интервал времени. В случае если сообщение не пришло в течение времени ожидания, принимающее устройство может сформировать сигнал о неисправности в информационной сети, оповещая диспетчера о возникших неполадках.

Во-вторых, при изменении одного из атрибутов передаваемого набора данных, вне зависимости от того, сколько времени прошло с момента отправки предыдущего сообщения, формируется новый пакет, который содержит обновленные данные. После чего отправка этого пакета повторяется несколько раз с минимальной выдержкой времени (рис. 5б), а интервал между сообщениями (в случае отсутствия изменений в передаваемых данных) вновь увеличивается до максимального.

Рис. 5. Интервал между отправками GOOSE-сообщения

В-третьих, в пакете GOOSE-сообщения предусмотрено несколько полей-счетчиков, по которым также может контролироваться целостность канала связи. К таким счетчикам, например, относится циклический счетчик посылок (sqNum), значение которого изменяется от 0 до 4 294 967 295 или до изменения передаваемых данных. При каждом изменении данных, передаваемых в GOOSE-сообщении, счетчик sqNum будет сбрасываться. При этом увеличивается на 1 другой счетчик – stNum, также циклически изменяющийся в диапазоне от 0 до 4 294 967 295. При потере нескольких пакетов при передаче эту потерю можно будет отследить по двум указанным счетчикам.

Наконец, в-четвертых, важно отметить, что в посылке GOOSE, помимо самого значения дискретного сигнала, может содержаться признак его качества, который идентифицирует определенный аппаратный отказ устройства-источника информации, нахождение устройства-источника информации в режиме тестирования и ряд других нештатных режимов. Таким образом, устройство-приемник, прежде чем обработать полученные данные согласно предусмотренным алгоритмам, должно выполнить проверку этого признака качества. Это может предупредить неверную работу устройств-приемников информации (например, их ложную работу).

Следует иметь в виду, что некоторые из заложенных механизмов обеспечения надежности передачи данных при их неправильном использовании могут приводить к негативному эффекту. Так, в случае выбора слишком короткого максимального интервала между сообщениями нагрузка на сеть увеличивается, хотя с точки зрения готовности канала связи эффект от уменьшения интервала передачи будет крайне незначительным.

При изменении атрибутов данных передача пакетов с минимальной выдержкой времени вызывает повышенную нагрузку на сеть (режим «информационного шторма»), которая теоретически может приводить к возникновению задержек при передаче данных. Такой режим является наиболее сложным и должен приниматься за расчетный при проектировании информационной сети. Однако следует понимать, что пиковая нагрузка очень кратковременна и ее многократное снижение, согласно проводившимся нами опытам в лаборатории по исследованию функциональной совместимости устройств, работающих по условиям стандарта МЭК 61850, кафедры РЗиАЭС НИУ МЭИ, наблюдается на интервале в 10 мс.

НАЛАДКА И ПРОВЕРКА

При построении систем РЗА на основе протокола GOOSE изменяются процедуры их наладки и тестирования. Теперь этап наладки заключается в организации сети Ethernet энергообъекта с включением в нее всех устройств РЗА, между которыми требуется осуществлять обмен данными. Для проверки того, что система настроена и включена в соответствии с требованиями проекта, становится возможным использование персонального компьютера со специальным предустановленным программным обеспечением (Wireshark, GOOSE Monitor и др.) или специального проверочного оборудования с поддержкой протокола GOOSE (РЕТОМ 61850, Omicron CMC).

Важно отметить, что все проверки можно производить, не нарушая предварительно установленные соединения между вторичным оборудованием (устройствами РЗА, коммутаторами и др.), поскольку обмен данными производится по сети Ethernet. При обмене дискретными сигналами между устройствами РЗА традиционным способом (подачей напряжения на дискретный вход устройства-приемника при замыкании выходного контакта устройства, передающего данные), напротив, часто требуется разрывать соединения между вторичным оборудованием для включения в цепь испытательных установок с целью проверки правильности электрических соединений и передачи соответствующих дискретных сигналов.

ВЫВОДЫ

Протокол GOOSE предусматривает целый комплекс мер, направленных на обеспечение необходимых характеристик по быстродействию и надежности при передаче ответственных сигналов. Применение данного протокола в сочетании с правильным проектированием и параметрированием информационной сети и устройств РЗА позволяет в ряде случаев отказаться от использования цепей с медными проводниками для передачи сигналов, обеспечивая при этом необходимый уровень надежности и быстродействия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аношин А.О., Головин А.В. Стандарт МЭК 61850. Информационная модель устройства // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 5(77).
2. Информационно-вычислительные сети: учебное пособие. Капустин Д.А., Дементьев В.Е. Ульяновск : УлГТУ, 2011.– 141 с.