Модернизация подстанций по МЭК 61850

Модернизация по стандарту МЭК 61850 существующих подстанций, использующих сотни или тысячи устаревших устройств с последовательным интерфейсом, некоторым из которых может быть по 20 или даже 30 лет, может принести существенную пользу. Однако выполнение такой модификации требует подключения устаревших устройств к современной сети TCP/IP, а также преобразование множества протоколов, необходимого для обеспечения взаимодействия устройств друг с другом.

Давайте рассмотрим типовые проблемы, встающие перед инженерами в процессе модернизации, и способы их решения.

От одного протокола к другому

Одна из проблем, с которой вы столкнетесь, заключается в том, что устаревшие устройства разных производителей будут, несомненно, использовать разные протоколы связи. Мы можем разделить данную проблему на три категории:

1) Устройства, работающие по старым промышленным протоколам

В этом случае известна точная структура пакетов данных, получаемых и отправляемых устройством. Компания Moxa разрабатывает надежные промышленные шлюзы протоколов, функцией которых является многостороннее преобразование между двумя или более типами структур пакетов данных. Как правило конвертация осуществляется между форматом последовательного интерфейса и форматом Ethernet. Типичным примером таких шлюзов является серия Moxa MGate MB3000, которая выполняет преобразования между протоколами Modbus RTU/ASCII и Modbus TCP.

2) Устройства, использующие протоколы собственной разработки

В данном случае точная структура пакетов данных известна только владельцу протокола. Чтобы справиться с такой ситуацией, преобразователи протоколов компании Moxa, в частности серия NPort S9000, поддерживают «туннелирование». Этот процесс представляет собой упаковку данных с устройства в пакеты данных TCP/IP и их последующую отправку по сети на компьютер. Драйвер Moxa, установленный на компьютере, перехватывает пакеты TCP/IP и распаковывает проприетарные пакеты данных. По сути, устройство серии NPort S9000 работает вместе с драйвером на компьютере и заставляет установленное на компьютере проприетарное ПО думать, что оно подключено непосредственно к проприетарному устройству, хотя это устройство может находится в любой части Ethernet-сети.

3) Устройства, оптимизирующие производительность с помощью кастомизированных программных пакетов

Если в вашей организации есть специализированные программные приложения разработанные для повышения эффективности и оптимизации системы подстанции, то для запуска приложений вам потребуется специальный компьютер, расположенный между сетью и устройствами. В некоторых модернизированных системах подстанций операторы используют кастомизированные протоколы вместо стандартных протоколов или протоколов, разработанных внутри компании. В таких случаях, для разработки уникальных приложений для этих кастомизированных протоколов потребуются безвентиляторные интегрированные открытые вычислительные платформы. Данные специализированные безвентиляторные компьютеры разработаны специально для применения на подстанциях, обеспечиваю стабильную работу приложений и сохранность данных.

Время – существенный фактор

SCADA-системы, используемые для мониторинга и управления работой современной подстанции, непрерывно собирают и анализируют огромное количество данных от большого числа разных устройств и компьютеров, из которых состоит система подстанции. Есть два очень важных аспекта данного процесса, относящихся ко времени:

1) Важные временные метки

В связи с тем, что события происходят в разных местах по всей подстанции, локальное устройство, записывающее событие перед отправкой информации для анализа, добавит временную метку, основанную на локальном времени устройства. По этой причине крайне важно, чтобы временные метки, поступающие из разных частей системы, были основаны на одних и тех же часах. Для этого используются протоколы синхронизации времени. Они синхронизируют часы в системе.

2) Передача данных в режиме реального времени

Все мы знаем, что даже когда информация передается со скоростью света, нужно определенное время, чтобы передать ее из пункта A в пункт B. Таким образом, под «реальным временем» обычно имеется в виду время передачи на уровне миллисекунд. Это особенно важно в отношении систем управления: любая существенная задержка в передаче управляющих сигналов на контроллер в ответ на показания датчиков может вывести из строя всю систему.

Имеющиеся на модернизированной подстанции последовательные устройства скорее всего будут использовать последовательный протокол синхронизации времени IRIG-B. В противоположность этому, сеть МЭК 61850 будет использовать базирующийся на Ethernet протокол синхронизации времени IEEE 1588. Чтобы преодолеть данную проблему, вам нужно будет использовать специализированные устройства, которые могут выполнять преобразования между двумя данными протоколами, когда поступают сигналы синхронизации времени.

Широкий спектр операционных систем

Инженеры, занимающиеся модернизацией подстанций, всегда имели дело с самыми разнообразными операционными системами, так как существующие подстанции строились в течение длительного периода времени. Порой возникают ограничения, связанные с необходимостью сохранения устаревших операционных систем, поскольку драйверы, используемые для чтения конечных устройств, работают только в этих системах. Таким образом, решение по МЭК 61850 должно поддерживать широкий спектр драйверов для Serial-to-Ethernet устройств на нескольких операционных системах.

Платформа – больше чем просто платформа

Поскольку встраиваемые компьютеры часто используются для оптимизации и многозадачности, чрезвычайно важным является выбор подходящей аппаратной платформы, основными критериями которой являются:

1) Поддержка стандартной компиляции

Для компиляции ПО для различных платформ инженерам приходится иметь дело со специфическими наборами инструментальных средств, исходным кодом и двоичными файлами.

2) Операционные системы и программные пакеты

От встраиваемого компьютера, используемого в решении «Serial-to-Ethernet», ожидается намного больше, чем простое выполнение преобразования протокола. Операционная система и поддерживаемые пакеты определяют время, необходимое для разработки любого решения.

3) Возможность расширения

Встраиваемые компьютеры применяются в проектах по модернизации подстанций, чтобы сделать основное оборудование более «умным». Решение с дополнительными слотами для установки различных карт расширения для подключения к разным устройствам упрощает расширение системы. Ключевым фактором успеха является возможность подключения ко всем типам устройств.

Гибкой платформой, учитывающей данные требования, являются специализированные компьютеры серии DA от компании Moxa, разработанные специально для подстанций МЭК 61850.

Функционирование

После модернизации старой подстанции по протоколу IEC 61850 наверняка будут возникать проблемы, поэтому нужно быть готовым к ним. В этом разделе мы перечислим некоторые из вещей, за которыми необходимо следить:

1)  Устранение ошибок обмена данными

Ввиду недостаточной осведомленности о последних ноу-хау в индустрии, устранение проблем с обменом данными всегда является кошмаром для инженеров подстанций. На модифицированных подстанциях процесс решения проблем, связанных с ошибками при передаче данных по последовательному интерфейсу (например, имеющих отношение к Modbus, DNP3, и МЭК 60870-5-101), может быть еще более пугающим, так как инженерам зачастую приходится решать проблемы методом проб и ошибок, на что уходит много времени. Оборудование с функцией мониторинга трафика данных и проверки протокола может помочь в выявлении ошибок в последовательном интерфейсе и тем самым снизить последствия от простоя системы.

2) Оптимизация SCADA-систем при помощи шлюза Modbus

Одной из задач, выполняемых системой сбора данных и диспетчерского управления (SCADA) в щитовом помещении управления подстанцией, является мониторинг качества электроэнергии. В идеале, для сбора большого количества статусов электрических параметров с различных устройств на базе последовательного интерфейса необходимы высокопроизводительные шлюзы Modbus, обладающие многочисленными последовательными портами (8 или 16). Традиционные шлюзы Modbus работают в «прозрачном» режиме передачи данных, имеющем низкую частоту обновления данных вследствие ограничений протокола Modbus. Шлюзы высокой плотности от Moxa с технологией посредника могут существенно повысить производительность систем SCADA.

Запросы и ответы, поступающие единовременно, могут обрабатываться «прозрачными» шлюзами только последовательно.

Агентские шлюзы выступают в качестве накопителей данных, которые в это же время направляют множественные запросы и ответы на/от SCADA.

Производительность и безопасность

Преобразование протокола – это всего лишь одна из функций, на которые обращают внимание при выборе встраиваемых компьютеров для проекта по модернизации подстанции. В основном на таких компьютерах работают различные операционные системы и приложения. В таких случаях инженеры предпочитают использование технологии виртуализации (например, такой как VMware) для запуска независимых виртуальных машин (VMs). Это дает следующие преимущества:

1) Сокращение затрат

Виртуальные машины повышают эффективность и коэффициент использования имеющейся у вас x86 аппаратной платформы.

2) Изоляция приложений

В зависимости от возможностей вашей аппаратной платформы, каждое приложение может быть запущено на отдельной виртуальной машине для обеспечения полной изоляции приложений. На отдельных виртуальных машинах вы также можете запускать критические и некритические приложения. В случае сбоя одного набора приложений, другие приложения продолжат работать.

3) Продление срока службы устаревших приложений

Виртуальные машины можно использовать для запуска унаследованных приложений на компьютерах с новыми аппаратными платформами или операционными системами. Тем не менее, не стоит полагать, что каждая компьютерная платформа будет работать с VMware надлежащим образом. Обязательно используйте продукты, на которых имеется логотип VMware-ready. Это указывает на то, что данный продукт соответствует критериям интеграции VMware и взаимодействия с ним.

Устранение неполадок системы

Интеллектуальная система восстановления ОС является важной функцией удаленной подстанции. Без системы восстановления ОС повреждение системного программного обеспечения - будь то в операционной системе или в приложениях локальной подстанции - может привести к катастрофическому отказу системы. По некоторым оценкам, процентная доля отказов компьютеров, связанная с повреждением программного обеспечения, достигает 30%. Тем не менее, большинство инженеров подстанций, являясь экспертами в своей области, не имеют достаточных знаний в области компьютеров, чтобы выявлять и исправлять проблемы ОС. Весьма ценным дополнением в конструкции компьютера электроподстанции будет автоматическая система восстановления на уровне BIOS, которая позволит сократить время простоя в случае аварии.

Хорошим примером является система восстановления Moxa Smart Recovery™. Это инструмент, который облегчает автоматическое восстановление системы путем запуска перезаписи операционной системы. Система запускает процесс восстановления с использованием помеченной копии всей системы, созданной при первом успешном развертывании встроенного компьютера, и хранящейся локально на компьютере или на внешнем диске. Чтобы максимально сократить время простоя в случае сбоя системы, доступны следующие методы восстановления:

• На объектах, управляемых в автоматическом режиме, где затруднена диагностика, процесс переустановки ОС может быть осуществлен автоматически с резервной копии.
• Для объектов, мониторинг которых осуществляется инженерами, где требуется дважды проверять параметры перед началом процесса восстановления ОС, инженеры могут указывать местоположение файла образа и просто запустить цикл включения/выключения питания для завершения процесса.