1. Назначение и задачи АСУТП Автоматизированная система - система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций. Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП) — автоматизированная система управления, объектом управления которой является технологический процесс. АСУ ТП – это интегрированная система аппаратных и программных средств, обеспечивающих мониторинг и управление процессами в организации. Главная роль АСУ ТП - поддержание операционной эффективности, обеспечения качества продукции и получения информации о производственных процессах в режиме реального времени. АСУ ТП использует технологии для автоматизации, оптимизации и контроля различных операций - от производства до логистики. Основным назначением автоматизированных систем управления технологическими процессами в электросетевом комплексе является комплексная автоматизация технологических процессов на подстанции в целях организации для персонала подстанций безопасных оперативных переключений коммутационных аппаратов, предотвращение технологических нарушений по причине «человеческого фактора» и несвоевременного вывода оборудования в ремонт. АСУТП является основным инструментом оперативного персонала на подстанциях нового поколения, уменьшает количество рутинных действий. Автоматизация позволяет снизить непосредственное участие человека в получении информации, её обработке, преобразовании. Контроль за несколькими сотнями устройств основного оборудования, вторичных систем, десятками тысяч сигналов осуществляет дежурная смена в составе одного-двух работников из числа оперативного персонала. В отличие от автоматического управления, в автоматизированных системах человек является элементом системы, принимающим решение об указании управляющего воздействия на исполнительные органы. Наблюдая в режиме реального времени состояние первичного оборудования и устройств вторичных систем, оперативный персонал тратит существенно меньше времени на проведение плановых переключений на подстанции. Отпадает необходимость тратить время при переключениях на перемещение по открытому распределительному устройству (ОРУ) , так как переключения производятся оперативным персоналом непосредственно с АРМ. При аварийных событиях на основе данных, предоставляемых АСУТП, за считанные минуты персонал подстанции предоставляет подробную информацию о срабатывании и пуске защит, работе противоаварийной автоматики, о месте повреждения высоковольтных линий в центры управления сетями и диспетчерские центры, а также передает осциллограммы для анализа работы устройств защит. При неуспешном автоматическом повторном включении выключателя, не отходя от рабочего АРМ, дежурный персонал отправляет команду на включение отключившегося оборудования либо, по команде диспетчерского центра, изменяет режимную схему и включает другой выключатель. Благодаря мониторингу автотрансформаторов, вводов силового оборудования, систем пожаротушения, оборудования связи, контролю величины напряжения и токовой нагрузки упрощается эксплуатация энергообъекта: все отклонения от нормального режима работы фиксируются не при плановых обходах и техническом обслуживании, а в режиме реального времени с подачей сигналов в журнал тревог. На основе данных сигналов может быть принято решение о подаче аварийной заявки для проведения ремонтно-восстановительных работ для недопущения технологического нарушения. Помимо этого, создание единой системы позволяет упростить восприятие информации оперативным персоналом, сокращает количество мониторов на щите управления. При внедрении АСУТП решаются задачи автоматизированной замены уставок РЗА, обеспечение информационной безопасности объекта критической информационной инфраструктуры, регистрация переходных процессов в аварийных режимах. 2. Технологические функции АСУТП Основные функции АСУ ТП (автоматизированных систем управления технологическими процессами): Контроль параметров производства. Позволяет точно контролировать процесс производства и избегать ошибок. Управление технологическим процессом. Регулирует потоки материалов, энергии и других ресурсов. Сбор и анализ данных. Собирает данные о параметрах работы оборудования и анализирует их. Это позволяет выявлять проблемы в производственном процессе и улучшать его эффективность. Диспетчеризация производства. Позволяет контролировать работу нескольких устройств и механизмов одновременно. Это упрощает контроль, уменьшает время простоя оборудования и повышает его эффективность. Обеспечение безопасности. Контролирует различные параметры и предупреждает о возможных аварийных ситуациях. Технологические функции АСУ ТП можно разделить на несколько групп в соответствии с их особенностями: 1. Измерение, преобразование, сбор аналоговой и дискретной информации о текущих технологических режимах и состоянии оборудования. Значения тока и напряжения измеряются соответственно посредством трансформаторов тока и напряжения. Токовые цепи с указанных трансформаторов заводятся в измерительные преобразователи (ИП) или преобразователи аналоговых сигналов (ПАС), которые преобразуют аналоговые измерения в цифровые и передают их в АСУ ТП. Положения коммутационных аппаратов заводятся в АСУТП контрольным кабелем с блок-контактов коммутационных аппаратов и заземляющих ножей. 2. Представление текущей и архивной информации оперативному персоналу и другим пользователям на ПС (контроль и визуализация состояния оборудования ПС), отображение на мнемосхемах объекта (с динамическим изменением состояния) значений аналоговых режимных и технологических параметров, отображение состояния оборудования с индикацией отклонений от нормы. Информация, обрабатываемая в АСУТП, отображается на АРМ (мнемокадры, журналы тревог и журналы событий), дисплеях контроллеров присоединения и измерительных преобразователей. Положение коммутационных аппаратов и значения измерений, отображаемые на мнемокадрах подстанции, позволяют уйти от ведения бумажной документации по режиму объекта и в одной точке в реальном времени контролировать токовую нагрузку, напряжение и состояние оборудования подстанции. В журналах тревог отображаются активные и сквитированные тревоги, пришедшие и ушедшие тревоги с различными классами. Для обеспечения возможности ретроспективного анализа АСУТП предоставляет данные измерений и телесигнализации; журналы тревог и событий позволяют воссоздать историю отклонений от нормальной работы по каждому устройству, в цифровом виде зафиксировать в одной точке изменение конфигураций терминалов РЗА. 3. Технологические предупредительная и аварийная сигнализации: контроль и регистрация предупредительных и аварийных сигналов, контроль отклонения аналоговых параметров за предупредительные и аварийные пределы, вывод аварийных и предупредительных сигналов на АРМ, фильтрация, обработка. При отклонениях от нормальной работы оборудования подстанции и режимных параметров в АСУТП срабатывает предупредительная и аварийная сигнализация. Внимание оперативного персонала привлекается цветовой индикацией и звуковым оповещением. К аварийным событиям относится отключение выключателей без подачи дежурными соответствующей команды. Выключатель может отключиться от действия защит и автоматики, неисправностей контроллеров присоединения, терминалов РЗА, замыкания в цепях управления. К предупредительным событиям относятся неисправности во вторичных системах, превышение уставок аналоговых величин, повреждение изоляции вводов силового оборудования, срабатывание пожарной сигнализации и прочие оповещения о предаварийной ситуации. Своевременное оповещение и оперативные действия позволят избежать технологического нарушения и, в ряде случаев, спасти дорогостоящее оборудование от уничтожения. Значения токовой нагрузки и напряжений контролируются по предупредительным и аварийным уставкам, определяемым режимными подразделениями. 4. Автоматизированное управление оборудованием ПС (в том числе дистанционное): управление коммутационными аппаратами (КА) и заземляющими ножами (ЗН) ПС, управление приводами РПН, управление технологическим оборудованием (насосы, задвижки и др.). При реализации на подстанции комплекса АСУТП, согласно п. 138 и п. 197 Правил переключений в электроустановках (утверждены приказом Минэнерго России от 13.09.2018 №757), операции по включению коммутационных аппаратов и заземляющих ножей должны проводиться дистанционно. При этом персоналу запрещено находиться на РУ при переключениях. Основное место управления оборудованием на ПС — АРМ оперативного персонала. Подача команд реализовывается через человеко-машинный интерфейс: оперативный персонал выбирает конкретное оборудование и подает команду на изменение положения. Перед подачей команды система запрашивает подтверждение для предотвращения ошибочных переключений. Все переключения фиксируются в журнале событий. Резервное место управления — контроллер присоединения либо, в зависимости от производителя, терминал РЗА, резервное место оборудования оборудуется интерфейсом для переключения после перевода ключа выбора управления в положение «местное». В случае организации дистанционного управления энергообъектом, АСУТП обеспечивает техническую возможность управления данного энергообъекта с уровней ЦУС, РДУ и ОДУ. 5. Программные блокировки управления КА, оперативная логическая блокировка КА– (ОБР). Для предотвращения переключений под нагрузкой на подстанциях нового поколения реализован алгоритм оперативной блокировки. Оперативная блокировка представляет собой логический модуль, обрабатывающий дискретные сигналы и значения напряжения. Управление разъединителями и заземляющими ножами возможно лишь при достижении логической единицы на выходе логики ОБР, в противном случае АСУТП запретит команду. Для удобства переключений на мнемокадрах у разъединителей и заземляющих ножей устанавливаются так называемые «замки», динамически показывающие возможность управления. 6. Информационное взаимодействие с имеющимися на ПС автономными системами автоматизации и управления (РЗА, РАС, КТСБ и т.п.) по стандартным протоколам. Удаленное изменение состояния программных и оперативных элементов систем РЗА и АСУТП: переключение групп уставок и оперативный ввод-вывод из работы устройств, отключение-включение отдельных функций в устройствах и др. В автоматизированном режиме АСУТП организовывает передачу осциллограмм в ЦУС при аварийном отключении выключателей, предоставляет доступ к работе со специализированным программным обеспечением для персонала РЗА. Для удобства оперативного персонала реализовывается передача светодиодной индикации с панели терминалов РЗА с возможностью квитирования появляющихся сигналов. АСУТП позволяет дистанционно изменять группы уставок, а также фиксировать время изменений конфигураций терминалов РЗА. 7. Контроль состояния локальных системам автоматического управления и дистанционное управление ими. Примером таких систем являются асинхронизированные статические компенсаторы. Они способны генерировать и потреблять реактивную мощность в широком диапазоне, а также обладают высокой перегрузочной способностью, позволяющей обеспечить устойчивость прилегающей энергосистемы при авариях. Система работает в автоматическом режиме. 8. Регистрация аварийных событий собственными средствами или посредством информационного обмена с автономными системами РЗА, РАС и др. В автоматизированном режиме АСУТП организовывает передачу осциллограмм в ЦУС при аварийных отключениях. На подстанциях класса 500 кВ и выше устанавливаются системы мониторинга переходных режимов (СМПР), передающие информацию в ЦДУ. 9. Фиксация результатов определения места повреждения на ВЛ (ОМП) путем получения, архивирования и представления данных от автономных устройств ОМП, систем РЗА, РАС. Системы ОМП, обладая точностью определения в пределах 5% от длины участка, позволяют существенно сократить время поиска места короткого замыкания на высоковольтных линиях. При отключении выключателя информация с терминала ОМП отражается в журнале тревог. 10. Обмен оперативной информацией с ЦУС, РДУ, ОДУ. Телеинформация (телеметрия, телеметрическая информация, оперативная информация) — передаваемая по выделенным каналам связи с использованием телемеханических протоколов обмена технологическая информация, к времени доставки которой предъявляются требования, обусловленные ее использованием для целей оперативно-диспетчерского и оперативно-технологического управления. Диспетчерскому персоналу филиалов АО «СО ЕЭС» для ведения режима энергосистемы необходимо видеть в режиме реального времени положение коммутационных аппаратов подстанций, срабатывание защит и перетоки мощностей между узлами энергосистемы. На основе получаемой телеметричекой информации расчётные программы предоставляют оптимальные графики вывода в ремонт основного оборудования без снижения надежности электроснабжения потребителей и целостности межсистемных связей. Измерение температуры и ветра обусловлено ограничением управления на открытых распределительных устройствах при низких температурах и ограничению перетоков мощности при превышении заданных уставок контроля токовой нагрузки ЛЭП.[A1] В АО «СО ЕЭС» для обозначения комплекса передачи используется термин СОТИАССО. СОТИАССО — система обмена технологической информацией с автоматизированной системой Системного оператора. СОТИАССО — это система, выполняющая задачи измерения параметров электрооборудования главной схемы электростанции, сбора телемеханической информации и передачи её на диспетчерские пункты филиалов СО ЕЭС. В направлении ЦУС наборы передачи расширенные, так как получаемая информация необходима не только для ведения режима энергосистемы, но и для контроля за основным и вспомогательным оборудованием. Дополнительно передается телеметрическая информация с РУ низкого напряжения, щита собственных нужд (ЩСН), щита постоянного тока (ЩПТ), а также данные системы мониторинга. При реализации дистанционного управления АСУТП не только отдает информацию, но и является приемником команд захвата и управления. 11. Обмен неоперативной технологической информацией с ПМЭС, МЭС. Неоперативная информация — передаваемая по выделенным каналам связи с использованием телемеханических протоколов обмена технологическая информация о параметрах функционирования оборудования энергообъекта и регистрации аварийных режимов его работы. Для контроля за вспомогательным оборудованием при переходе на риск-ориентированное управление ПМЭС обрабатывает диагностическую информацию о состоянии терминалов РЗА, контроллеров и серверов АСУТП, оборудования ЛВС. 3. Общесистемные функции АСУТП В состав общесистемных функций АСУ ТП: - синхронизация компонентов ПТК АСУ ТП; - тестирование и самодиагностика компонентов ПТК; архивирование информации; - защита информации; - формирование документов; организация внутрисистемных коммуникаций между компонентами АСУ ТП. 1.1 Общесистемные функции АСУТП АСУТП имеет ряд общесистемных функций: 1. Организация внутрисистемных и межсистемных коммуникаций, обработка и передача информации на смежные и вышестоящие уровни. АСУТП выполняет задачи организации технологической локальной вычислительной сети, которая связывает в единое целое уровни АСУТП через межсетевые экраны, интегрируемые технологические системы, диспетчерские центры и центры управления сетями. При организации коммуникаций учитывают требования к резервированию направлений передачи информации. 2. Тестирование и самодиагностика программной, аппаратной и канальной (сетевой) части компонентов АСУ ТП, в том числе каналов ввода-вывода и передачи информации. АСУТП строится с учётом резервирования и отсутствия единых точек отказа (то есть отсутствия узлов системы, отказ которых приводит к её неработоспособности). Но при отказе одного из элементов АСУТП возрастает риск отключения системы при выходе резервного устройства из строя. Для недопущения снижения отказоустойчивости все неисправности АСУТП своевременно сигнализируют в журнал тревог для принятия мер по восстановлению работоспособности системы. 3. Синхронизация компонентов АСУТП и интегрируемых в АСУТП автономных цифровых систем по сигналам системы единого времени. На энергообъекте устанавливается антенна для приема сигналов спутников GPS и ГЛОНАСС, данные с которой поступают на серверы единого времени подстанции. Они синхронизируют время на серверах и терминалах, подключенных к технологической ЛВС подстанции по протоколу SNTP (1-10 мс) и, при реализации работы терминалов релейной защиты на основе данных мгновенных значений (реализации протокола Sampled Values), по протоколу PTP (1 мкс). В ряде случаев организовывается дополнительная оптическая ЛВС для организации передачи секундных импульсов по протоколу 1-PPS. 4. Защита от несанкционированного доступа, информационная безопасность и разграничение прав (уровней) доступа к системе и функциям. Организация информационной защиты АСУТП позволяет избежать несанкционированного доступа к информационной структуре подстанции, «цифрового уничтожения» оборудования подстанции. Пользователи делятся на группы доступа, каждая из которых наделена определенными правами: администрирование, управление, мониторинг, управление терминалами РЗА. 5. Антивирусная защита программного обеспечения АРМ и серверов подстанционного уровня АСУТП. Обязательное внедрение антивирусного программного обеспечения (ПО) позволяет предотвратить внедрение вредоносного ПО в информационную инфраструктуру, предотвращает утечку данных о техническом состоянии оборудования подстанции, защищает от внутренних и внешних киберугроз. 6. Документирование, формирование и печать отчетов, рапортов протоколов в заданной форме, ведение оперативной базы данных, суточной ведомости и оперативного журнала. Инструментарий автоматического создания отчетных документов создан для оптимизации рабочего времени оперативного персонала, уменьшения бумажного документооборота, избегания печатных ошибок вследствие человеческого фактора. 4. Мнемокадры АСУТП. Правила оформления мнемокадров Основным средством представления информации являются мониторы оперативного персонала. Графический интерфейс должен позволять подробно рассматривать систему на АРМ при одновременном сохранении общего вида на подстанцию. Разработанный интерфейс человек-машина, используя графические объекты, должен поддерживать функцию управления объектами и обеспечивать их контроль. Каждая мнемосхема состоит из статических и динамических графических элементов. Статические используются для отображения оборудования, не изменяющего своего состояния: автотрансформаторы, трансформаторы, шины, ОПН и т.д. Динамические – для отображения измененных состояний: включено, отключено, недостоверность, промежуточное положение, к динамическим элементам относятся выключатели, разъединители и заземляющие ножи. Все элементы мнемосхемы поддерживают топологическую раскраску в зависимости от наличия/отсутствия напряжения на элементах и наличия заземленных участков. Режимные параметры отображаются в приведенном объеме с указанной масштабируемостью: ⎯ значение токов (I), перетоков активной (P) и реактивной (Q) мощности (единицы измерений А, МВт, Мвар) ЛЭП; ⎯ значение токов (I), перетоков активной (P) и реактивной (Q) мощности (единицы измерений А, МВт, Мвар) всех обмоток силовых (авто)трансформаторов; ⎯ значение токов (I), перетоков реактивной (Q) мощности (единицы измерений А, Мвар) в цепи устройств компенсации реактивной мощности 6 кВ и выше по каждому присоединению; ⎯ значение напряжений (U), частоты (F) сети на шинах, секциях 6 кВ и выше (единица измерения кВ, Гц); ⎯ температура наружного воздуха (t) (единица измерения ºС); ⎯ положение РПН (авто)трансформатора («единица измерения» РПН); ⎯ положение ПБВ силового (авто)трансформатора и трансформатора собственных нужд («единица измерения» ПБВ); ⎯ значение токов (I), напряжений (U) на ЩСН постоянного и переменного тока (единицы измерения А, В); ⎯ значение активной (P) и реактивной (Q) мощности на ЩСН переменного тока (единицы измерений кВт, кВар). На каждой схеме должен отображаться логотип собственника энергообъекта, текущая дата и время, зарегистрированный пользователь с указанием его категории (администратор, инженер РЗА, оперативный персонал, наблюдатель), частоту сети на шинах высшего класса напряжения, температуру наружного воздуха, кнопки перехода к другим мнемокадрам, положение ключа дистанционного управления. Со сквозным отображением на всех мнемокадрах поддерживается установка диспетчерских плакатов: 1) «НЕ ВКЛЮЧАТЬ! Работа на линии» - для запрещения подачи напряжения на линию, на которой работают люди; 2) «НЕ ВКЛЮЧАТЬ! Работают люди» - для запрещения подачи напряжения на рабочее место; 3) «Заземлено» - для указания недопустимости подачи напряжения на заземленный участок электроустановки; 4) «Работа под напряжением. Повторно не включать» - для запрещения повторного ручного включения выключателей ВЛ после их автоматического отключения без согласования с производителем работ. 5) «Транзит разомкнут» - Для указания о переходе ЛЭП из транзитного в тупиковый режим. Наименования на структурных схемах строго соответствуют утвержденным диспетчерским наименованиям, внешний вид мнемокадров должен совпадать с утвержденной схемой нормальных электрических соединений. 5. Состав мнемокадров АСУТП Для оперативного персонала разрабатываются следующие схемы: 1) Основная мнемосхема электрических цепей подстанции – отображается электрическая связь элементов с поддержкой топологической раскраски, положения выключателей, значения режимных параметров. 2) Мнемосхемы распределительных устройств - отображается электрическая связь элементов с поддержкой топологической раскраски, положения выключателей, разъединителей и заземляющих ножей, значения режимных параметров. 3) Мнемосхемы ячеек - отображается электрическая связь элементов с поддержкой топологической раскраски, положения выключателей, разъединителей и заземляющих ножей, значения режимных параметров. Реализован функционал меню вызова диалога управления основным оборудованием. 4) Мнемосхемы ЩПТ и ЩСН – отображаются схемы щита постоянного тока и щита собственных нужд, динамические элементы, реализован функционал меню вызова управления. 5) Мнемосхема диагностики технологического сегмента ЛВС энергообъекта – отображаются активные сетевые соединения оборудования АСУ ТП, сетевого оборудования и интегрируемого оборудования. Цветовой индикацией отображается оборудование в работе и в отключенном (неисправном) состоянии. 6) Мнемосхемы диагностики основного оборудования – отображаются диагностические параметры автотрансформаторов, выключателей, КРУЭ; 7) Мнемосхемы инженерных систем подстанции с возможностью управления регулирующими органами; 8) Мнемосхемы контроля качества электроэнергии; 9) Мнемосхема отображения мониторинга работоспособности измерительной части терминалов РЗА и АСУ ТП; 10) Мнемосхема контроля состояния передачи телеметрической информации во внешние системы; 11) Мнемосхема устройств РЗА с возможностью квитирования событий и переключения групп уставок; 12) Мнемосхема размещения оборудования вторичных систем с данными об открытии дверей шкафов, климатическому контролю помещений, работе систем вентиляции и обогрева. 6. Состав оборудования АСУТП В состав АСУ ТП входят следующие компоненты: информационное обеспечение техническое обеспечение математическое обеспечение программное обеспечение организационное обеспечение метрологическое обеспечение эргономическое обеспечение оперативный персонал 1. Информационное обеспечение АСУ ТП включает: ● исходные данные, используемые в процессе разработки или эксплуатации системы; ● промежуточные данные, хранящиеся в базах данных реального времени, используемые для дальнейшей обработки; ● выходные данные, передаваемые для реализации на исполнительные устройства, отображаемые визуально на панелях операторов, табло и мониторах рабочих станций; ● передаваемых пользователям в электронном или бумажном виде; ● принятые формы входных и выходных документов (электронных или бумажных); ● принятая система кодирования информации; ● электронные архивы данных. В состав информационного обеспечения АСУ ТП входят внемашинные (на бумажных носителях) и внутримашинные (на электронных носителях) компоненты. Так, например, к внемашинным компонентам информационного обеспечения АСУ ТП можно отнести технологический регламент, определяющий допустимые пределы изменения технологических параметров, условия аварийных отключений, порядок пуска и останова оборудования и т.п. К внутримашинному информационному обеспечению АСУ ТП относятся входные сигналы, поступающие от датчиков, а также выходные сигналы на исполнительные устройства, архивы нарушений технологического регламента, графики изменений контролируемых параметров, сформированные на экране монитора и т.п. 2. Техническое (аппаратное) обеспечение АСУ ТП — это комплекс технических средств, обеспечивающих выполнение всех функций АСУ ТП, а также обеспечивающих взаимодействие персонала с техническими средствами системы и с технологическим процессом. В состав технического обеспечения АСУ ТП входят: ● средства сбора информации (измерительные преобразователи, счетчики, сигнализаторы, устройства ручного ввода); ● исполнительные устройства; ● программируемые логические контроллеры; ● устройства распределенного ввода/вывода; ● операторские станции; ● инженерные станции; ● серверы; ● панели оператора; ● программаторы; ● сетевые адаптеры; ● преобразователи частоты; ● пускатели; ● концевые выключатели; ● кабели связи; ● табло; ● устройства световой и звуковой сигнализации. 3. Математическое обеспечение АСУ ТП — это совокупность математических моделей, методов, алгоритмов решения различных задач, используемая на этапе проектирования и в процессе эксплуатации АСУ ТП. К математическому обеспечению относятся: ● методы фильтрации сигналов; ● методы идентификации математических моделей; ● математические модели объектов управления; ● методы анализа, синтеза и настройки контуров регулирования; ● алгоритмы управления и регулирования; ● методы анализа устойчивости и точности систем; ● методы и алгоритмы оптимизации (поиска экстремума); ● методы принятия решений; ● алгоритмы адаптации параметров системы управления; ● алгоритмы косвенных измерений; ● методы прогнозирования случайных последовательностей; ● методы наблюдения состояния динамической системы; ● интеллектуальные алгоритмы управления. 4. Программное обеспечение АСУ ТП — совокупность программ, обеспечивающих функционирование всех цифровых вычислительных средств АСУ ТП (контроллеры, серверы, рабочие и инженерные станции, программаторы, панели оператора), а также решающих все функциональные задачи на этапах разработки, наладки, тестирования и эксплуатации системы. Программное обеспечение АСУ ТП принято делить на две категории: ● общее программное обеспечение, включающее операционные системы, SCADA-системы, пакеты программ для программирования контроллеров, компиляторы, редакторы и т.п. Общее программное обеспечение АСУ ТП не привязано к конкретному объекту автоматизации, закупается и поставляется так же, как и технические средства. ● специальное программное обеспечение — это программы, разработанные для конкретной АСУ ТП. К этой категории относятся программы для контроллеров, реализующие определенные функциональные задачи обработки информации и управления; программы, сгенерированные в среде SCADA-системы для визуализации, архивирования данных конкретного технологического процесса. 5. Организационное обеспечение АСУ ТП — совокупность документов, устанавливающих порядок и правила функционирования оперативного персонала АСУ ТП, а также организационные мероприятия, направленные на успешное внедрение системы и на безопасное ведение технологического процесса. В частности, к организационному обеспечению АСУ ТП относятся: ● технологический регламент производства в условиях функционирования АСУ ТП; ● описание функциональной, организационной и технической структур автоматизированного технологического комплекса; ● штатное расписание, должностные инструкции технологического и оперативного персонала в условиях функционирования АСУ ТП; ● инструкция по пуску и останову технологических агрегатов в условиях АСУ ТП; ● обучение персонала работе с АСУ ТП; ● правила техники безопасности в условиях АСУ ТП. 6. Метрологическое обеспечение АСУ ТП — установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерения. Возможность применения результатов измерений для правильного и эффективного решения любой задачи определяется следующими тремя условиями: ● результаты измерений выражаются в узаконенных (установленных законодательством России) единицах; ● значения показателей точности результатов измерений известны с необходимой заданной достоверностью; ● значения показателей точности обеспечивают оптимальное в соответствии с выбранными критериями решение задачи, для которой эти результаты предназначены (результаты измерений получены с требуемой точностью). Если результаты измерений удовлетворяют первым двум условиям, то о них известно всё, что необходимо знать для принятия обоснованного решения о возможности их использования. Такие результаты можно сопоставлять, они могут использоваться в различных сочетаниях, различными людьми, организациями. В этом случае говорят, что обеспечено единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности результатов не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Правила и нормы по обеспечению единства измерений установлены в Законе РФ «Об обеспечении единства измерений» и в нормативных актах Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ). Третье из перечисленных выше условий определяет требования к точности применяемых методов и средств измерений. Недостаточная точность измерений приводит к увеличению ошибок и, как следствие, к экономическим потерям. Завышенные требования к точности измерений требуют дополнительных затрат на приобретение более дорогих средств измерений. Поэтому это требование влияет не только на метрологические, но и на экономические показатели системы. Если при измерениях соблюдаются все три условия (обеспечивается и единство, и требуемая точность измерений), то говорят о метрологическом обеспечении. Необходимо отметить, что в АСУ ТП данные, полученные от измерительных преобразователей, проходят целый ряд этапов обработки и преобразования: ● аналоговая фильтрация от высокочастотных помех; ● дискретизация сигнала во времени; ● аналого-цифровое преобразование с определенной разрядностью; ● цифровая фильтрация. Такая обработка, в общем случае, изменяет метрологические характеристики результирующих данных в сравнении с исходными данными от датчика, вносит временную задержку. Поэтому для корректного использования данных АСУ ТП (например, данных коммерческого учета тепловой и электрической энергии) необходимо выполнить оценку метрологических характеристик этих данных с учетом всех этапов обработки. 7. Эргономическое обеспечение АСУ ТП — это нормы эргономики и инженерной психологии, положенные в основу проектирования АСУ ТП. Прежде всего, это касается организации пультов оператора, мнемосхем, табло, устройств световой и звуковой сигнализации и других элементов так называемого человеко-машинного интерфейса системы. Эргономика и инженерная психология помогает выбрать рациональное расположение автоматизированных рабочих мест (АРМ) персонала, формы отображения информации на мониторах и табло, вид технологической клавиатуры и т.п. Разработка АСУ ТП без учета рекомендаций эргономики повышает вероятность ошибок оперативного персонала, увеличивает время реакции на событие, вызывает дополнительные психологические нагрузки. Типовые аппаратно-программные решения ведущих производителей систем автоматизации выполнены в соответствии с современными требованиями эргономики, инженерной психологии и технической эстетики. 8. Оперативный персонал — состоит из технологов-операторов диспетчеров), аппаратчиков, машинистов, осуществляющих контроль и управление технологическим объектом и эксплуатационного персонала служб КИПиА, обеспечивающих правильное функционирование всех технических и программных средств АСУ ТП. Следует заметить, что, несмотря на повышение уровня автоматизации технологических процессов, роль оперативного персонала в АСУ ТП остается чрезвычайно высокой. Состав оперативного персонала конкретной АСУ ТП и установленные взаимоотношения между его работниками определяют организационную структуру системы. 7. Организация оперативной блокировки разъединителей Оперативные блокировки разделяются на: - оперативные блокировки разъединителей (ОБР), являющиеся дополнительным средством, предотвращающим ошибочные операции с разъединителями, отделителями, выкатными тележками КРУ и заземляющими разъединителями в процессе переключений в электроустановках; - эксплуатационные (ремонтные) блокировки, обеспечивающие безопасное обслуживание электрооборудования и механизмов этих установок, открывание дверей, расположенных вне электропомещений шкафов, а также дверей камер (помещений), имеющих доступные для прикосновения токоведущие части, должно быть возможно лишь после снятия напряжения с установки, двери должны иметь блокирование, действующее на снятие напряжения с установки без выдержки времени. Оперативная блокировка разъединителей — это мера, которая позволяет исключить возможные ошибки и повысить безопасность работников при проведении переключений в распределительном устройстве высокого напряжения. Оперативная блокировка делится на: 1. Механическую. Реализуется с помощью отдельных конструктивных элементов и дополнительных тяг на приводах или размещением приводов таким образом, чтобы исключить одновременное включение разъединителя и его заземляющих ножей. 2. Электромагнитную. Организуется с помощью замков, блокирующих возможность оперировать приводом разъединителя или заземляющих ножей. Правильно организованная оперативная блокировка исключает возможность возникновения аварии при ошибочном переключении, тем самым сохраняя оборудование и здоровье обслуживающего персонала. 8. Стадии создания АСУТП Основные этапы создания АСУТП регламентируются ГОСТ 34.601-90 «Автоматизированные системы. Стадии создания». Жизненный цикл процесса создания АСУ согласно ГОСТ 34 (ГОСТ 34.601 -90) включает следующие стадии: · Формирование требований к АС · Разработка концепции АС · Техническое задание · Эскизный проект · Технический проект · Рабочая документация · Ввод в действие · Сопровождение АС. 1. На этапе 1.1 "Обследование объекта и обоснование необходимости создания АС" в общем случае проводят: - сбор данных деятельности; об объекте автоматизации и осуществляемых видах - оценку качества функционирования объекта и осуществляемых видов деятельности, выявление проблем, решение которых возможно средствами автоматизации; - оценку (технико-экономической, создания АС. социальной и т.п.) целесообразности 2. На этапе 1.2 "Формирование требований пользователя к АС" проводят: - подготовку исходных данных для формирования требований к АС (характеристика объекта автоматизации, описание требований к системе, ограничения допустимых затрат на разработку, ввод в действие и эксплуатацию, эффект, ожидаемый от системы, условия создания и функционирования системы); - формулировку и оформление требований пользователя к АС. 3. На этапе 1.3 "Оформление отчета о выполненной работе и заявки на разработку АС (тактико-технического задания)" проводят оформление отчета о выполненных работах на данной стадии и оформление заявки на разработку АС (тактико-технического задания) или другого заменяющего ее документа с аналогичным содержанием. 4. На этапах 2.1 "Изучение объекта" и 2.2 "Проведение необходимых научно исследовательских работ" организация-разработчик проводит детальное изучение объекта автоматизации и необходимые научно-исследовательские работы (НИР), связанные с поиском путей и оценкой возможности реализации требований пользователя, оформляют и утверждают отчеты о НИР. 5. На этапе 2.3 "Разработка вариантов концепции АС и выбор варианта концепции АС, удовлетворяющего требованиям пользователя" в общем случае проводят разработку альтернативных вариантов концепции создаваемой АС и планов их реализации; оценку необходимых ресурсов на их реализацию и обеспечение функционирования; оценку преимуществ и недостатков каждого варианта; сопоставление требований пользователя и характеристик предлагаемой системы и выбор оптимального варианта; определение порядка оценки качества и условий приемки системы; оценку эффектов, получаемых от системы. 6. На этапе 2.4 "Оформление отчета о выполненной работе" подготавливают и оформляют отчет, содержащий описание выполненных работ на стадии, описание и обоснование предлагаемого варианта концепции системы. 7. На этапе 3.1 "Разработка и утверждение технического задания на создание АС" проводят разработку, оформление, согласование и утверждение технического задания на АС и, при необходимости, технических заданий на части АС. 8. На этапе 4.1 "Разработка предварительных проектных решений по системе и ее частям" определяются: функции АС; функции подсистем, их цели и эффекты; состав комплексов задач и отдельных задач; концепции информационной базы, ее укрупненная структура; функции системы управления базой данных; состав вычислительной системы; функции и параметры основных программных средств. 9. На этапе 5.1 "Разработка проектных решений по системе и ее частям" обеспечивают разработку общих решений по системе и ее частям, функционально-алгоритмической структуре системы, по функциям персонала и организационной структуре, по структуре технических средств, по алгоритмам решений задач и применяемым языкам, по организации и ведению информационной базы, системе классификации и кодирования информации, по программному обеспечению. 10. На этапах 4.2 и 5.2 "Разработка документации на АС и ее части" проводят разработку, оформление, согласование и утверждение документации в объеме, необходимом для описания полной совокупности принятых проектных решений и достаточном для дальнейшего выполнения работ по созданию АС. Виды документов - по ГОСТ 34.201. 11. На этапе 5.3 "Разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования АС и (или) технических требований (технических заданий) на их разработку" проводят: подготовку и оформление документации на поставку изделий для комплектования АС; определение технических требований и составление ТЗ на разработку изделий, не изготавливаемых серийно. 12. На этапе 5.4 "Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации" осуществляют разработку, оформление, согласование и утверждение заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации для проведения строительных, электротехнических, санитарно-технических и других подготовительных работ, связанных с созданием АС. 13. На этапе 6.1 "Разработка рабочей документации на систему и ее части" осуществляют разработку рабочей документации, содержащей все необходимые и достаточные сведения для обеспечения выполнения работ по вводу АС в действие и ее эксплуатации, а также для поддерживания уровня эксплуатационных характеристик (качества) системы в соответствии с принятыми проектными решениями, ее оформление, согласование и утверждение. Виды документов - по ГОСТ 34.201. 14. На этапе 6.2 "Разработка или адаптация программ" проводят разработку программ и программных средств системы, выбор, адаптацию и (или) привязку приобретаемых программных средств, разработку программной документации в соответствии с ГОСТ 19.101. 15. На этапе 7.1 "Подготовка объекта автоматизации к вводу АС в действие" проводят работы по организационной подготовке объекта автоматизации к вводу АС в действие, в том числе: реализацию проектных решений по организационной структуре АС; обеспечение подразделений объекта управления инструктивно-методическими материалами; внедрение классификаторов информации. 16. На этапе 7.2 "Подготовка персонала" проводят обучение персонала и проверку его способности обеспечить функционирование АС. 17. На этапе "Комплектация АС поставляемыми изделиями" обеспечивают получение комплектующих изделий серийного и единичного производства, материалов и монтажных изделий. Проводят входной контроль их качества. 18. На этапе 7.4 "Строительно-монтажные работы" проводят: выполнение работ по строительству специализированных зданий (помещений) для размещения технических средств и персонала АС; сооружение кабельных каналов; выполнение работ по монтажу технических средств и линий связи; испытание смонтированных технических средств; сдачу технических средств для проведения пусконаладочных работ. 19. На этапе 7.5 "Пусконаладочные работы" проводят автономную наладку технических и программных средств, загрузку информации в базу данных и проверку системы ее ведения; комплексную наладку всех средств системы. 20. На этапе 7.6 "Проведение предварительных испытаний" осуществляют: - испытания АС на работоспособность и соответствие техническому заданию в соответствии с программой и методикой предварительных испытаний; - устранение неисправностей и внесение изменений в документацию на АС, в том числе эксплуатационную в соответствии с протоколом испытаний; - оформление акта о приемке АС в опытную эксплуатацию. 21. На этапе 7.7 "Проведение опытной эксплуатации" проводят: опытную эксплуатацию АС; анализ результатов опытной эксплуатации АС; доработку (при необходимости) программного обеспечения АС; дополнительную наладку (при необходимости) технических средств АС; оформление акта о завершении опытной эксплуатации. 22. На этапе 7.8 "Проведение приемочных испытаний" проводят: - испытания на соответствие техническому заданию в соответствии с программой и методикой приемочных испытаний; - анализ результатов испытаний АС и устранение недостатков, выявленных при испытаниях; - оформление акта о приемке АС в постоянную эксплуатацию. 23. На этапе 8.1 "Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами осуществляют работы по устранению недостатков, выявленных при эксплуатации АС в течение установленных гарантийных сроков, внесению необходимых изменений в документацию на АС. 24. На этапе 8.2 "Послегарантийное обслуживание" осуществляют работы по: - анализу функционирования системы; - выявлению отклонений фактических эксплуатационных характеристик АС от проектных значений; - установлению причин этих отклонений; - устранению выявленных недостатков эксплуатационных характеристик АС; и обеспечению - внесению необходимых изменений в документацию на АС. 9. Состав рабочей документации АСУТП стабильности На стадии рабочей документации (стадия Р) разрабатываются тома в соответствии с ведомостью полного комплекта документации. разрабатываются следующие тома: 1. Том с пояснительной запиской. В разделах тома указываются: - характеристика объекта автоматизации; - НТД, которым соответствует создаваемая система: ГОСТы, СТО АО «СО ЕЭС», СТО ПАО «Россети», информационные письма и локальные ОРД организации; - структура системы с указанием оборудования производителя полевого уровня, уровня присоединения и уровня подстанции; - организация ЛВС АСУ ТП, резервирование; - оборудование системы единого времени; - оборудование системы гарантированного питания АСУ ТП; - алгоритмы управления оборудованием подстанции, в т.ч. устройствами РЗА; - взаимодействие с терминалами РЗА и ПА; - интегрируемые системы: КТСБ, РАС, ОМП, ККЭ и прочие; - внешние интегрируемые системы: системы диагностики автотрансформаторного оборудования, мониторинг частичных разрядов, системы мониторинга элегазового оборудования и прочие; - алгоритмы работы Подсистемы автоматического мониторинга измерений; - решения по мониторингу и управлению оборудованием СОПТ; - решения по мониторингу и управлению оборудованием ЩСН; - алгоритмы функционирования системы дистанционного управления из ДЦ и ЦУС; - размещение оборудования АСУ ТП на РУ и в помещениях; - взаимодействие с системой информационной безопасности; - решения по отчётным формам. 2. Том со структурной схемой АСУ ТП. Структурная схема выполняется с высоким уровнем детализации, в отличие от структурной схемы этапа П на этапе Р в обязательном порядке указываются: IP-адреса устройств, VLAN, порты коммутаторов, диспетчерские наименования оборудования. Протоколы передачи, решения по интеграции внешних систем, пропускная способность каналов передачи данных в ДЦ и ЦУС, протоколы передачи, связи между элементами АСУ ТП отображаются в обоих случаях. 3. Тома параметрирования оборудования АСУ ТП и РЗА. Параметрирование описывает входные и выходные сигналы-для каждого из устройств АСУ ТП и подключаемых терминалов относительно АСУ ТП: контроллеры присоединения, измерительные преобразователи, преобразователи дискретных сигналов, терминалы РЗА, терминалы ПА, контроллеры ЩПТ, ЩСН, терминалы ОМП и другие интеллектуальные электронные устройства. Для каждого сигнала описывается источник, иерархический адрес, протокол передачи, диапазон значений, соответствие значений дискретных сигналов физическим и логическим параметрам, класс тревог в журнале тревог, уставки измеряемых параметров., признак отображения сигнала на мнемокадрах. 4. Формуляры приема/передачи данных в ДЦ и ЦУС согласно IEC-104. Тома содержат лист согласования протокола, типы для всех передаваемых сигналов, настройки протокола IEC-104, общие адреса ASDU, IP-адреса принимающей и передающей сторон, используемый порт, адреса параметров в канале передачи данных, логику формирования логических сигналов. 5. Том параметрирования функций дистанционного управления. В томе прописан порядок организации дистанционного управления с указанием удаленных центров управления, их логическое взаимодействия друг с другом в АСУ ТП, указан алгоритм захвата ключа управления и его визуальное отображение. Также указаны требования по информационной безопасности в части реализации функций дистанционного управления. 6.Том с организацией оперативной блокировки. В томе представлено описание алгоритмов логики оперативной блокировки для каждого разъединителя и заземляющего ножа, указаны алгоритмы деблокирования, описан принцип передачи данных «сухим контактом» и по «цифре». 7. Том с принципиальными цифровыми связями. В томе приводятся схемы соединений сетевых устройств типами кабелей «витая пара» и оптоволокно, указываются порты подключения и маркировки кабелей. 8. Тома с принципиальными электрическими схемами шкафов АСУ ТП. В томах приводится разводка цепей телесигнализации и управления по клеммникам шкафов контроллеров присоединения, шкафов измерительных преобразователей, шкафов преобразователей дискретных сигналов. Описывается электрическое взаимодействие с другими шкафами. 9. Том с кабельным журналом электрических и цифровых связей. В томах указываются типы применяемых кабелей (пример: КВВГЭно(А)-LS), количество, число и сечение жил, длины каждого отрезка кабеля, точки заводки. Для кабелей цифровых связей указывается тип кабеля, его марка, число и сечение жил, длины каждого отрезка кабеля, точки подключения и условия обеспечения защиты (трубы, гофротрубы). 10. Том с эскизами мнемокадров. В томе приводятся эскизы мнемокадров для согласования эскизов, оформления и информационной наполняемости. 11. Том задания заводу на изготовление шкафов АСУ ТП. В томе определены типы шкафов, места заводов кабелей, требования к вентиляции, габариты шкафа, класс напряжения цепей, реализации деблокирования, размещение оборудования по юнитам, типы патчкордов, организация электропитания. 12. Том со спецификацией оборудования АСУ ТП. В спецификации приводится список поставляемого оборудования с разбивкой по шкафам, приводятся указания конкретных модификаций и фирм-производителей, указывается количество единиц поставки и коды заказов. 10. Архитектура АСУТП в соответствии с СТО ФСК Согласно принятой технической политике и в стандарте ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007- 25.040.40.227-2016 степень автоматизации объектов электроэнергетики определяется объемами реконструкции. Степень автоматизации № 1. ПТК АСУ ТП создается в полном объеме реализуемых функций в случаях: - создания нового энергообъекта; - комплексного технического перевооружения и реконструкции объекта, в том числе без замены маслонаполненного силового оборудования. Степень автоматизации № 2 ПТК АСУ ТП создается в полном объеме реализуемых функций для вновь устанавливаемого/реконструируемого оборудования (с учётом смежных титулов) и c информационными функциями для «старого» оборудования в случаях: - модернизации РУ класса напряжения 110 кВ и выше в объеме более 50% расширения или модернизации коммутационного оборудования; - модернизации подстанции в объемах более 30% основного оборудования и вторичных систем (коммутационные аппараты, устройства РЗА, ЩПТ, ЩСН, пожаротушение). АСУ ТП создается для подстанционного уровня - в полном объёме с учётом возможности расширения, полевой уровень и уровень присоединения - в объёме титула реконструкции. Управлением модернизированным оборудованием осуществляется из АСУ ТП, не подлежащим модернизации – со щита управления и по месту. При этом учитывается требование к логике формирования оперативной блокировки. Имеющиеся на объекте информационные системы должны быть интегрированы в АСУ ТП, обмен телеметрической информацией с ДЦ и ЦУС осуществляется через шлюзы создаваемой АСУ ТП. Степень автоматизации № 3. ПТК АСУ ТП создается в объеме информационных функций с возможностью управления новыми выключателями с АРМ оперативного персонала в случае: - модернизации подстанции в объемах 10-30% основного оборудования и вторичных систем (коммутационные аппараты, устройства РЗА, ЩПТ, ЩСН, пожаротушение Степень автоматизации № 4. ПТК АСУ ТП создается в объеме информационных функций (ССПИ) в случае: - модернизации подстанции в объемах менее 10% основного оборудования и вторичных систем (коммутационные аппараты, устройства РЗА, ЩПТ, ЩСН, пожаротушение. Степень автоматизации № 5. ПТК ССПИ модернизируется или создается по титулам, связанным исключительно с модернизацией устройств телемеханики без замены других систем. Степени №4-5 предполагают внедрение информационных систем на условиях последующего создания на их базе полноценного комплекса АСУ ТП. 11. Модель OSI OSI – Open system interconnections • Модель открытого взаимодействия • Год разработки – 1984 • Разработана для того, чтобы упростить работу разработчиков ПО для сетевого взаимодействия Основой цифровых процессов в вычислительных сетях является концепция модели OSI. Модель International Organization for Standardization open System Interconnection Reference Model была разработана в 1983 году Международной организацией по стандартизации. Система описывает взаимодействие открытых систем и определяет функции описываемых ей уровней. Структуру АСУТП рекомендуется рассматривать посредством инкапсуляции данных (то есть их упаковку в один компонент и последующий контроль доступа к этому компоненту) через уровни модели OSI. При передаче информации между хостами (любое устройство, предоставляющее сервисы формата «клиент-сервер» в режиме сервера по каким-либо интерфейсам и уникально определённое на этих интерфейсах), она проходит этапы обработки, прежде всего разбивается на блоки в виде сетевых пакетов, затем пакеты кодируются, дефрагментируются и передаются с помощью световых или электрических сигналов. На сетевом оборудовании происходит изменение состава исключительно в части маршрутной информации, в ряде случаев реализовывается шифрование, а смысловое ядро пакета проходит путь до хоста-адресата неизменным. В случае ошибок передачи информация на хосте-адресате не воспринимается валидной. Информация преодолевает уровни модели OSI сверху-вниз и снизу-вверх на каждом уровне взаимодействия с физическими устройствами. Каждый переход на более высокий уровень модели OSI требует увеличения количества служебной информации, добавляемой к ядру сообщения, что увеличивает объем передаваемых данных и является основой при расчете пропускной способности сети передачи данных и информационной загрузки локально-вычислительной сети. В модели OSI выделяется семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления, прикладной, причем низшим уровнем считается физический уровень, который относится непосредственно к проводнику, а высшим уровнем считается прикладной уровень, то есть интерфейс, с которым взаимодействует пользователь. Физический уровень определяет передачу необработанных битов по каналу связи, при этом бит может принимать два значения: единица или ноль. Интерпретация физических параметров передачи — основная задача физического уровня. На данном уровне однозначно определяются характеристики электрических сигналов, такие как требования к фронтам импульсов, уровням напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов , , симплекс или дуплекс передачи, признаки начала и окончания связи, физический носитель информации (количество проводов в кабеле и их функции). На физическом уровне передаваемая информация никак не обрабатывается. На данном уровне информация представляет собой однородный поток битов, которые необходимо доставить без искажений в соответствии с заданной тактовой частотой. К физическому уровню в ЛВС АСУТП относятся кабели (оптоволоконные, витая пара, коаксиальный кабель), разъемы кабелей (джеки для витой пары, ферулы для оптоволокна), медиаконвертеры (преобразователи протоколов RS232/485 в FO), концентраторы. Уровень передачи данных (канальный уровень) передает необрабатываемые необработанные данные по сети путём разбиения входных данных на кадры размером от нескольких сот до нескольких тысяч байт. В кадре определяется заголовок и поле данных. Канальный уровень выполняет следующие задачи: - логическое соединение между хостами; - согласование скоростей передатчика и приемника информации; - минимизации коллизий (коллизия - наложение двух и более кадров от станций, пытающихся передать кадр в один и тот же момент времени в среде передачи коллективного доступа). При получении от сетевого уровня пакета информации канальный уровень инкапсулирует пакет в поле данных кадра и заполняет соответствующей служебной информацией заголовок кадра. Ключевой информацией заголовка кадра является адрес назначения, на основании которого коммутаторы сети будут продвигать пакет. В заголовке определяется MAC-адрес отправителя и получателя, причем адрес не позволяет определить принадлежность к группам устройств. Передача данных на канальном уровне осуществляется внутри одной сети. Канальный уровень контролирует целостность передачи пакета информации. В начале и конце кадра определяется специальная последовательность битов, и у выделенного кадра по специальному алгоритму вычисляется контрольная сумма как функция от всех байтов кадра. Сумма вместе с кадром передается получателю. На стороне получателя канальный уровень группирует биты, поступающие с физического уровня, в кадры, определяет контрольную сумму сформированных данных и сравнивает результат с контрольной суммой, переданной в кадре. Кадр считается переданным без ошибок при совпадении контрольных сумм. К канальному уровню в ЛВС АСУТП относится реализация протокола Ethernet на сетевых картах устройств, коммутаторы L2[A1] . На объектах электроэнергетики беспроводные реализации запрещены требованиями информационной безопасности. 12. Сетевое оборудования L1 уровень Хаб L2 уровень Коммутатор L3 уровень Маршрутизатор К сетевому оборудованию АСУТП относятся маршрутизаторы, коммутаторы, межсетевые экраны, преобразователи интерфейсов, оптические кроссы.[A1] Сетевое оборудование можно разделить на категории в соответствии с уровнем OSI, на котором это оборудование работает. Сетевые кабели — сетевое оборудование, используемое для подключения одного сетевого устройства к другим сетевым устройствам. Сетевой концентратор (хаб) — класс устройств для объединения компьютеров в сетях Ethernet с применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время вытеснены сетевыми коммутаторами. Сетевые концентраторы также могли иметь разъёмы для подключения к существующим сегментам сети на базе толстого или тонкого коаксиального кабеля. Маршрутизатор (роутер) — шлюз между двумя сетями, функционирующими на уровне 3 взаимодействия открытых систем (OSI), который перенаправляет и посылает пакеты данных во внутреннюю сеть. Межсетевой экран — устройство межсетевого взаимодействия, осуществляющее фильтрацию трафика между двумя связанными друг с другом сетями: предотвращает передачу определенного вида трафика и подмену IP-адресов (технология NAT). Межсетевые экраны в обязательном порядке устанавливаются в оборудовании связи для разделения корпоративного и технологического трафика, в технологической сети АСУТП для подключения серверного оборудования интегрируемых систем, а также для организации демилитаризованной зоны. Коммутатор (свитч) — устройство для соединения хостов (узлов) сети в границах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор выполняет следующие задачи: - осуществляет непрерывную связь между хостами; - выполняет построение единственного маршрута передачи данных без петель коммутации; - осуществляет зеркалирование портов для изучения трафика сети; - определяет приоритеты в доступе к ресурсам сети определенным видам трафика – реализация услуг QoS (Quality of Service); - позволяет организовать VLAN. Коммутаторы шины процесса поддерживают протокол синхронизации времени PTP аппаратно, с помощью специальных интегральных чипов — ASIC’ов. Коммутаторы могут поддерживать как оптические, так и медные среды передачи данных. Для расширения функционала современные коммутаторы поддерживают применение модульных приёмопередатчиков, используемых для соединения сетевого устройства и сетевого кабеля (оптоволокно/витая пара), называемых SFP-модулями. SFP-модули позволяют расширять возможности разъема 8P8C (8 Position 8 Contact ) для коммутации оптоволоконного кабеля. Оптический кросс — пассивное сетевое оборудование, предназначенное для сварки оптоволокна с оптической розеткой с применением гильз для защиты сварного соединения и пигтейлов. Основной топологий ЛВС АСУТП является топология типа «кольцо» — каждое устройство соединено с двумя другими сетевыми кабелями. Для исключения петель (исключения дублированных маршрутов) в соединениях коммутаторов Ethernet с дублирующими линиями применяется протокол RSTP. Протокол подразумевает объединение в кольцо группы коммутаторов, где ведущий коммутатор осуществляет контроль целостности кольца. При отключении одного из элементов сети или повреждении одной кабельной связи сеть сохраняет работоспособность — изменяется логическая структура сети и путь передачи данных. Время перестроения такой сети занимает до 5 секунд. Принцип работы: выбирается корневой коммутатор, затем каждый коммутатор, участвующий в построении дерева, ищет кратчайший маршрут (с учётом пропускной способности канала) к корневому коммутатору через соседние коммутаторы (или напрямую). Линии, не попавшие в маршрут, переводятся в режим ожидания и не используются для передачи данных, пока работают основные линии. В случае выхода из строя основных линий, ожидающие линии используются для построения альтернативной топологии, после чего одна из линий становится активной, а остальные продолжают находиться в режиме ожидания. Одной из задач ЛВС АСУТП является сохранение целостности и доступности организации передачи технологической информации и управляющих команд. В связи с этим, обеспечение гарантированной доставки информации организуется путём резервирования и дублирования каналов связи. При реализации цифровых решений организации релейных защит требуется использование переключения без прерываний, которое вообще не затрачивает время на активацию резервирования в случае отказа, тем самым предлагая максимально возможную доступность. Для передачи наиболее критически важных и чувствительных данных в шине станции и шине процесса, таких как управляющие воздействия и данные измерений от технологического оборудования, необходимо применять протокол «параллельного резервирования» PRP– PRP – построение сети PRP A и сети PRP B. Сеть «А» и Сеть «В» работают независимо друг от друга и могут не содержать никакой специальной аппаратной или программной поддержки PRP. Для его реализации используются микропроцессорные терминалы с двумя независимыми сетевыми портами (устройства DANP Double Attached Node for PRP), позволяющими построить две независимые сети. Данные при приеме анализируются по значению MAC-адреса отправителя и значению идентификатора RCT (Redundancy Сontrol Trailer). При отсутствии у устройства возможности подключения к сетям PRP (устройства SAN - Single Attached Node) используется подключение через устройство с двумя независимыми интерфейсами - RedBox -Redundancy Box. В дополнение к идентификатору подсети и пользовательским данным в кадр помещается 32-битовое поле, включающее номер последовательности PRP, который служит идентификатором для RedBox для передачи его на верхний уровень или удаления. Учитывая разную топологию, пропускную способность и загруженность обоих сетей, два кадра доходят до адресата с разной задержкой. Первый пришедший получателю кадр принимается и передается на верхний уровень, второй – удаляется. Сетевое приложение (SAN устройство), принимающее поток данных от RedBox, не ощущает разницы между резервированным с PRP и обычным Ethernet-интерфейсом. В пределах каждой PRP-сети используется протокол RSTP. 13. Хабы Сетевой концентратор (хаб) — класс устройств для объединения компьютеров в сетях Ethernet с применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время вытеснены сетевыми коммутаторами. Сетевые концентраторы также могли иметь разъёмы для подключения к существующим сегментам сети на базе толстого или тонкого коаксиального кабеля. Концентратор работает на физическом (первом) уровне сетевой модели OSI, ретранслируя входящий сигнал с одного из портов в сигнал на все остальные (подключённые) порты. Таким образом, несмотря на возможность реализации на многопортовых хабах физической топологии «звезда» (несколько сегментов сети подключены проводами к хабу), логически сеть продолжает работать в режиме с общей средой (топология «общая шина»), свойственном Ethernet: пропускная способность сети разделена между всеми устройствами, а передача ведется в режиме полудуплекса. Коллизии (то есть попытка двух и более устройств начать передачу одновременно) обрабатываются аналогично сети Ethernet на других носителях — устройства самостоятельно прекращают передачу и возобновляют попытку через случайный промежуток времени, говоря современным языком, концентратор объединяет устройства в одном домене коллизий. Сетевой концентратор также обеспечивает бесперебойную работу сети при отключении устройства от одного из портов или повреждении кабеля, в отличие, например, от сети на коаксиальном кабеле, которая в таком случае прекращает работу целиком. Медиаконвертер – преобразователь среды передачи данных 14. Коммутаторы Коммутатор (свитч) — устройство для соединения хостов (узлов) сети в границах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор выполняет следующие задачи: - осуществляет непрерывную связь между хостами; - выполняет построение единственного маршрута передачи данных без петель коммутации; - осуществляет зеркалирование портов для изучения трафика сети; - определяет приоритеты в доступе к ресурсам сети определенным видам трафика – реализация услуг QoS (Quality of Service); - позволяет организовать VLAN. Коммутаторы шины процесса поддерживают протокол синхронизации времени PTP аппаратно, с помощью специальных интегральных чипов — ASIC’ов. Коммутаторы могут поддерживать как оптические, так и медные среды передачи данных. Для расширения функционала современные коммутаторы поддерживают применение модульных приёмопередатчиков, используемых для соединения сетевого устройства и сетевого кабеля (оптоволокно/витая пара), называемых SFP-модулями. SFP-модули позволяют расширять возможности разъема 8P8C (8 Position 8 Contact ) для коммутации оптоволоконного кабеля. MAC-адрес – это уникальный 48-битный аппаратный номер сетевой карты, который встроен в нее ещё на стадии производства • MAC-адрес также известен как физический адрес сетевого устройства Стандартно для записи MAC-адреса используются 16-ричные числа, разделенные двоеточием: EC:2E:98:73:A1:6B • MAC-адрес также может быть записан в двоичной форме:11101100: 00101110:10011000:01110011:10100001:01101011 15. Маршрутизаторы Маршрутизатор (роутер) — шлюз между двумя сетями, функционирующими на уровне 3 взаимодействия открытых систем (OSI), который перенаправляет и посылает пакеты данных во внутреннюю сеть. 16. Типы передачи данных Unicast- передача информации единственному абоненту, обмен сообщениями между двумя устройствами. Unknown Unicast — широковещательная рассылка с целью найти одно устройство. Multicast- (групповая рассылка)- передача информации всем абонентам из группы, рассылка сообщений на определенную группу устройств. Адреса класса D используются для групповой рассылки. Каждый адрес из сети класса D представляет не одного, а целую группу абонентов (подсеть). Использование групповой рассылки снижает нагрузку на сервер, потому что передача ведется на IP-адрес. Broadcast (широковещание)- передача информации всем абонентам подсети, широковещательная рассылка. Unicast Unicast — это адресная передача сообщений между двумя устройствами. По сути, это передача данных «точка-точка». Другими словами, два устройства для общения друг с другом всегда используют Unicast. Передача Unicast-трафика Broadcast Broadcast — это широковещательная рассылка. Т. е. рассылка, когда одно устройство отправляет сообщение всем остальным устройствам в сети. Чтобы отправить широковещательное сообщение, отправитель в качестве DST MAC указывает адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF. Передача Broadcast-трафика Unknown Unicast Unknown Unicast на первый взгляд, очень похож на Broadcast. Но разница между ними есть — сообщение рассылается всем участникам сети, но предназначено только одному устройству. Это как сообщение в торговом центре с просьбой перепарковать авто. Услышат это сообщение все, но откликнется только один. Когда коммутатор принимает фрейм и не может найти Destination MAC из него в таблице MAC-адресов, то он просто рассылает это сообщение во все порты, кроме того, с которого принял его. На подобную рассылку ответит только одно устройство. Передача Unknown Unicast-трафика Multicast Multicast — это рассылка сообщения на группу устройств, которые «хотят» получать эти данные. Это очень похоже на вебинар. Он транслируется на весь Интернет, но подключаются к нему только те люди, которым данная тематика интересна. Такая модель передачи данных называется «издатель-подписчик». Есть один издатель, который отправляет данные и подписчики, которые эти данные хотят получать — подписываются на них. При multicast-рассылке сообщение отправляется с реального устройства. В качестве Source MAC в фрейме указывается MAC-отправителя. А вот в качестве Destination MAC — виртуальный адрес. Устройство должно подключиться к группе, чтобы получать данные из нее. Коммутатор перенаправляет информационные потоки между устройствами — он запоминает, с каких портов данные передаются, и знает, на какие порты эти данные нужно отправлять. Передача Multicast-трафика Важный момент, что в качестве виртуальных групп чаще используются IP-адреса, но т. к. в разрезе данной статьи речь идет об энергетике, то мы будем говорить про MAC-адреса. В протоколах семейства МЭК 61850, которые используются для цифровой подстанции, разделение на группы производится на основе MAC-адресов. Unicast Тип передачи данных Unicast (индивидуальный) используется для обычной передачи данных от хоста к хосту. Способ Unicast работает в клиент-серверных и пиринговых (peer-to-peer, от равного к равному) сетях. В unicast пакетах в качестве IP адреса назначения используется конкретный IP адрес устройства, для которого этот пакет предназначен. IP адрес конкретного устройства состоит из порции адреса сети (в которой находится это устройство) и порции адреса хоста (порции, определяющей это конкретное устойчиво в его сети). Это все приводит к возможности маршрутизации unicast пакетов по всей сети. Multicast и broadcast пакеты, в отличие от unicast пакетов, имеют свои собственные специальные (зарезервированные) IP адреса для использования их в заголовке пакетов в качестве пункта назначения. Из-за этого, broadcast пакеты в основном ограничены пределами локальной сети. Multicast трафик также может быть ограничен границами локальной сети, но с другой стороны также может и маршрутизироваться между сетями. В IP сетях unicast адрес является адресом, то есть адресом конечного устройства (например, компьютера). Для типа передачи данных unicast, адреса хостов назначаются двум конечным устройствам и используются (эти адреса) как IP адрес источника и IP адрес получателя. В течение процесса инкапсуляции передающий хост размещает свой IP адрес в заголовок unicast пакета в виде адреса источника, а ИП адрес принимающего хоста размещается в заголовке в виде адреса получателя. Используя эти два IP адреса, пакеты unicast могут передаваться через всю сеть (т.е. через все подсети). Multicast Тип передачи multicast разрабатывался для сбережения пропускной способности в IP сетях. Такой тип уменьшает трафик, позволяя хостам отправить один пакет выбранной группе хостов. Для достижения нескольких хостов назначения используя передачу данных unicast, хосту источнику было бы необходимо отправить каждому хосту назначения один и тот же пакет. С типом передачи данных multicast, хост источник может отправить всего один пакет, который может достичь тысячи хостов получателей. Примеры multicast передачи данных:видео и аудио рассылкаобмен информацией о маршрутах, используемый в маршрутизируемых протоколах.распространение программного обеспеченияленты новостей Multicast клиенты Хосты, которые хотят получить определенные multicast данные, называются multicast клиентами. Multicast клиенты используют сервисы инициированные (начатые) клиентскими программами для рассылки multicast данных группам. Каждая multicast группа представляет собой один multicast IP адрес назначения. Когда хост рассылает данные для multicast группы, хост помещает multicast IP адрес в заголовок пакета (в раздел пункта назначения). Для multicast групп выделен специальный блок IP адресов, от 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Broadcast (Широковещание) Из-за того, что тип передачи broadcast используется для отправки пакетов ко всем хостам в сети, пакеты использую специальный broadcast IP адрес. Когда хост получает пакет, в заголовке которого в качестве адреса получателя указан broadcast адрес, он обрабатывает пакет так, как будто это unicast пакет. Когда хосту необходимо передать какую-то информацию всем хостам в сети используется способ передачи данных broadcast. Еще когда адрес специальных сервисов (служб) или устройств заранее неизвестен, то для обнаружения также используется broadcast (широковещание). Примеры, когда используется broadcast передача данных:создание карты принадлежности адресов верхнего уровня к нижним (например, какой IP адрес на конкретном устройстве со своим MAC адресом)запрос адреса (в качестве примера можно взять протокол ARP)протоколы маршрутизации обмениваются информацией о маршрутах (RIP, EIGRP, OSPF) Когда хосту нужна информация, он отправляет запрос на широковещательный адрес. Все остальные хосты в сети получат и обработают этот запрос. Один или несколько хостов вложат запрашиваемую информацию и ответят на запрос. В качестве типа передачи данных, отвечающие на запрос будут использовать unicast. Подобным образом, когда хосту необходимо отправить информацию всем хостам в сети, он создаёт широковещательный пакет с его информацией и передаёт его в сеть. В отличие от unicast передачи, где пакеты могут быть маршрутизированы через всю сеть, broadcast пакеты, как правило, ограничиваются локальной сетью. Это ограничение зависит от настройки маршрутизатора, который ограничивает сеть и следит за типом широковещания (broadcast). Существует два типа broadcast передачи данных: направленное широковещание и ограниченное широковещание. Направленный broadcast (направленное широковещание) Направленный broadcast отправляется всем хостам какой-то конкретной сети. Этот тип широковещания удобно использовать для отправки broadcast трафика всем хостам за пределами локальной сети. Например, хост хочет отправить пакет всем хостам в сети 172.16.5.0/24, но сам хост находится в другой сети. В данном случае хост-отправитель вложит в заголовок пакета в качестве адреса пункта назначения broadcast адрес 172.16.5.255. Хотя маршрутизаторы должны ограничивать (не передавать) направленный широковещательный трафик, их можно настроить на разрешение передачи broadcast трафика. Ограниченный broadcast (ограниченное широковещание) Ограниченный broadcast используется для передачи данных всем хостам в локальной сети. В такие пакеты в качестве пункта назначения вставляется IP адрес 255.255.255.255. Маршрутизаторы такой широковещательный трафик не передают. Пакеты, переданные ограниченным broadcast будут распространяться только в локальной сети. По этой причине локальные сети IP также называют широковещательным доменом (broadcast domain). Маршрутизаторы образуют границу для широковещательного домена. Без границы пакеты бы распространялись по всей сети, каждому хосту, уменьшая быстродействие сетевых устройств и забивая пропускную способность каналов связи. 17. Принципы сетевой адресации К адресу узла сети и схеме его назначения можно предъявить несколько требований: 1. Адрес должен уникально идентифицировать компьютер в сети любого масштаба. 2. Схема назначения адресов должна сводить к минимуму ручной труд администратора и вероятность дублирования адресов. 3. Адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей. 4. Адрес должен быть удобен для пользователей сети, т. е. должен иметь символьное представление. 5. Адрес должен иметь по возможности компактное представление, чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры. Наибольшее распространение получили три схемы адресации узлов: 1. Аппаратные (hardware) адреса (локальные, физические, MAC-адреса). 2. Символьные адреса или имена. 3. Числовые составные адреса. В современных сетях для адресации узлов применяются, как правило, одновременно все три схемы. 18. Сетевые топологии это конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (компьютеры и коммуникационное оборудование (маршрутизаторы), а рёбрам — физические или информационные связи между вершинами. Сетевая топология может быть ● ● ● ● физической — описывает реальное расположение и связи между узлами сети. логической — описывает хождение сигнала в рамках физической топологии. информационной — описывает направление потоков информации, передаваемой по сети. управления обменом — это принцип передачи права на пользование сетью. Полносвязная Полносвязная топология Сеть, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Однако этот вариант громоздкий и неэффективный, потому что каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров. Неполносвязная Неполносвязных топологий существует несколько. В них, в отличие от полносвязных, может применяться передача данных не напрямую между компьютерами, а через дополнительные узлы. Шина Топология шина Топология данного типа представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала. Преимущества сетей топологии "Шина": ● ● ● расход кабеля существенно уменьшен; сеть легко настраивать и конфигурировать; сеть устойчива к неисправностям отдельных узлов. Недостатки сетей шинной топологии: ● ● ● ● разрыв кабеля может повлиять на работу всей сети; ограниченная длина кабеля и количество рабочих станций; недостаточная надежность сети из-за проблем с разъемами кабеля; низкая производительность, обусловлена разделением канала между всеми абонентами. Звезда Топология звезда В сети, построенной по топологии типа «звезда», каждая рабочая станция подсоединяется кабелем (витой парой) к концентратору, или хабу (англ. hub). Концентратор обеспечивает параллельное соединение ПК и, таким образом, все компьютеры, подключенные к сети, могут общаться друг с другом. Данные от передающей станции сети передаются через хаб по всем линиям связи всем ПК. Информация поступает на все рабочие станции, но принимается только теми станциями, которым она предназначается. Так как передача сигналов в топологии физическая звезда является широковещательной, то есть сигналы от ПК распространяются одновременно во все направления, то логическая топология данной локальной сети является логической шиной. Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой 10Base-T Ethernet. Преимущества сетей топологии звезда: ● ● ● легко подключить новый ПК; имеется возможность централизованного управления; сеть устойчива к неисправностям отдельных ПК и к разрывам соединения отдельных ПК. Недостатки сетей топологии звезда: ● ● отказ хаба влияет на работу всей сети; большой расход кабеля. Кольцо В сети с топологией типа «кольцо» все узлы соединены каналами связи в неразрывное кольцо, по которому передаются данные. Выход одного ПК соединяется со входом другого ПК. Начав движение из одной точки, данные, в конечном счете, попадают на его начало. Данные в кольце всегда движутся в одном и том же направлении. Топология кольцо Принимающая рабочая станция распознает и получает только адресованное ей сообщение. В сети с топологией типа физическое кольцо используется маркерный доступ, который предоставляет станции право на использование кольца в определенном порядке. Логическая топология данной сети — логическое кольцо. Данную сеть очень легко создавать и настраивать. К основному недостатку сетей топологии кольцо относится то, что повреждение линии связи в одном месте или отказ ПК приводит к неработоспособности всей сети. Как правило, в чистом виде топология «кольцо» не применяется из-за своей ненадёжности, поэтому на практике применяются различные модификации кольцевой топологии. Ячеистая топология Получается из полносвязной топологии путём удаления некоторых связей. Допускает соединения большого количества компьютеров и характерна для крупных сетей. Также существует большое количество дополнительных способов соединения: ● Двойное кольцо ● Решётка ● Дерево ● Fat Tree ● Сеть Клоза Дополнительные способы являются комбинациями базовых. В общем случае такие топологии называются смешанными или гибридными, но некоторые из них имеют собственные названия, например, «дерево». Смешанная топология Сеть смешанной топологии Смешанная топология — сетевая топология, преобладающая в крупных сетях с произвольными связями между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией. Централизация[ Топология типа «звезда» снижает вероятность сбоя сети, подключая все периферийные узлы (компьютеры и т. д.) к центральному узлу. Когда физическая звездная топология применяется к логической шинной сети, такой как Ethernet, центральный узел (обычно хаб) ретранслирует все передачи, полученные от любого периферийного узла на все периферийные узлы в сети, в том числе иногда и в сторону инициирующего узла. Таким образом, все периферийные узлы могут взаимодействовать со всеми остальными посредством передачи и приема только от центрального узла. Отказ линии передачи, связывающей любой периферийный узел с центральным узлом приведёт к тому, что данный периферийный узел будет изолирован от всех остальных, а остальные периферийные узлы затронуты не будут. Однако, недостаток заключается в том, что отказ центрального узла приведет к отказу всех периферийных узлов. Для снижения объема сетевого трафика, приходящего в широковещательном режиме, были разработаны более продвинутые центральные узлы, которые способны отслеживать уникальность узлов, подключенных к сети. Эти сетевые коммутаторы изучают макет сети, «слушая» каждый порт во время нормальной передачи данных, рассматривая пакеты данных и записывая во внутреннюю справочную таблицу идентификатор каждого подключенного узла и порт, к которому он подключен. Эта поисковая таблица, хранящаяся в специализированной ассоциативной памяти, позволяет перенаправлять будущие передачи только в порт их назначения. Децентрализация В сетевой топологии существуют по крайней мере два узла с двумя или больше путями между ними, чтобы обеспечить дополнительные пути, которые будут использоваться в случае, если один из путей выйдет из строя. Эта децентрализация часто используется, чтобы компенсировать недостаток выхода из строя одного пункта, используя единственное устройство в качестве центрального узла (например, в звезде и сетях дерева). Специальный вид сети, ограничивающий число путей между двумя узлами, называется гиперкубом. Число разветвлений в сетях делает их более трудными к разработке и реализации, однако они являются очень удобными. В 2012 IEEE издал протокол IEEE 802-1aq (мостовое соединение по кратчайшему пути), чтобы облегчить задачи конфигурации и обеспечить активность всех путей, что увеличивает полосу пропускания и избыточность между всеми устройствами. В некоторой степени это подобно линейной или кольцевой топологиям, используемых для соединения систем во многих направлениях. 19. RSTP Для обеспечения надежности сетей Ethernet традиционно используют избыточные связи между оборудованием. Это позволяет предотвратить потери данных при обрыве соединений. Недостатком такого решения является высокая вероятность возникновения широковещательного шторма из-за образовавшихся петель из лишних соединений. Чтобы исключить эту возможность был создан протокол STP (Spanning Tree Protocol) со временем восстановления сети после сбоя - 30-50 секунд. Со временем данный протокол был переработан, и появился обновленный стандарт RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) со значительно меньшим временем восстановления после сбоя. Принцип работы RSTP 1. Выбор корневого коммутатора – центрального коммутатора, к которому сходится все дерево RSTP. 2. Распределение ролей портов всех коммутаторов. В стандарте определены следующие роли портов: · Корневой порт (Root port)– порт, который ведет к корневому коммутатору; именно через этот порт будут передаваться данные в сети. · Назначенный порт (Designated) – порт, который ведет от корневого коммутатора. Через него также передаются данные. · Дополнительный (Alternate) – резервный корневой порт коммутатора. · Резервный (Backup) – резервный назначенный порт. Дополнительные и резервные порты не участвуют в пересылке данных. Передача данных по ним начнется только в случае отказа основного канала. Для обмена информацией между собой коммутаторы используют специальные пакеты - BPDU (Bridge Protocol Data Units). Эти пакеты содержат основную информацию, необходимую для построения топологии сети без петель: идентификатор коммутатора, на основании которого выбирается корневой коммутатор, и расстояние от коммутатора источника до корневого коммутатора (стоимость корневого маршрута). Коммутаторы обмениваются пакетами BPDU через равные промежутки времени, что позволяет постоянного отслеживать состояние сети. В момент включения сети каждый коммутатор берет на себя роль корневого. Но после обмена сообщениями BPDU корневым коммутатором становится коммутатор с минимальным значением в поле Bridge ID. Значение этого поля определяется MAC – адресом устройства и значением, определяемым при настройке коммутатора вручную. Данное поле позволяет определить корневой коммутатор вручную при настройке сети. Если этого не выполнить, то корневым коммутатором станет коммутатор с наименьшим МАС – адресом, что в большинстве случаев не является оптимальным. Важным понятием стандарта RSTP является стоимость пути до корневого коммутатора. Она необходима для определения основных и резервных путей для передачи информации. Основным становится тот путь, стоимость которого меньше. Для расчета стоимости пути суммируются стоимости портов. При этом порт с более высокой производительностью имеет низкую стоимость, а порт с более низкой производительностью имеет более высокую стоимость. 20. PRP PRP (Parallel Redundancy Protocol) — это протокол параллельного резервирования. При использовании PRP строятся две независимые сети. Каждый пакет данных дублируется и одновременно передаётся по обеим сетям. Если до получателя доходят оба пакета, то пакет, который пришёл позже, отбрасывается. Это позволяет обеспечить бесшовную передачу данных даже при полном отказе одной из сетей. Узлы PRP имеют два порта и подключены к двум разделенным сетям схожей топологии. PRP может быть реализован полностью программно, т.Е. интегрирован в сетевой драйвер. Узлы с одним подключением могут быть подключены только к одной сети. Это противоречит сопутствующему стандарту HSR (IEC 62439-3, пункт 5), с которым PRP разделяет принцип действия. PRP и HSR не зависят от прикладного протокола и могут использоваться большинством протоколов Industrial Ethernet из набора IEC 61784. PRP и HSR стандартизированы в соответствии с IEC 62439-3: 2016). Они были приняты для автоматизации подстанций в рамках IEC 61850. PRP и HSR подходят для приложений, требующих высокой доступности и короткого времени переключения, таких как: защита для электрических подстанций синхронизированных приводов, например, в печатных машинах или инверторах высокой мощности. Для таких приложений время восстановления обычно используемых протоколов, таких как протокол быстрого связующего дерева (RSTP), слишком велико. Стоимость PRP - это дублирование всех элементов сети, которые в нем нуждаются. Влияние на затраты невелико, поскольку не имеет большого значения, лежат ли запасные части на полке или фактически работают на заводе. Интервал обслуживания сокращается, поскольку при использовании может выйти из строя больше компонентов, но такой сбой останется невидимым для приложения. PRP не распространяется на сбои конечных узлов, но резервные узлы могут быть подключены через сеть PRP. 21. HSR Протокол HSR (от англ. High-availability Seamless Redundancy — Высоконадежное однородное («бесшовное») резервирование, также HASAR) — протокол параллельного резервирования соединений. Используются две активные линии связи, информация передается по обеим линиям, параллельная конфигурация. Однородное резервирование с высоким коэффициентом готовности, с нулевым временем реконфигурации. Предусматривается параллельная и кольцевая конфигурация. Технологии описана стандартами МЭК 62439-3 (PRP и HSR). На сегодняшний день обе технологии находятся в активной фазе проработки. На обе технологии будут дополнительные ссылки в МЭК61850 Ed 2 PRP и HSR подходят для приложений, требующих высокой доступности и короткого времени переключения. Для таких приложений время восстановления широко используемых протоколов, таких как Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), слишком велико. Он был принят для автоматизации электрических подстанций в рамках IEC 61850. Он используется в синхронизированных приводах (например, в печатных машинах) и инверторах большой мощности. 22. VLAN VLAN (Virtual Local Area Network) — это технология, которая позволяет разделить одну локальную сеть на отдельные сегменты. Она обеспечивает: 1. Гибкое построение сети. VLAN позволяет произвести сегментацию локальной сети на подсети по функциональному признаку независимо от территориального расположения устройств. 2. Увеличение производительности. VLAN разделяет подсеть на отдельные широковещательные домены. Это означает, что широковещательные сообщения будут получать только устройства, находящиеся в одной VLAN-подсети. 3. Улучшение безопасности. Устройства из разных подсетей VLAN не могут общаться друг с другом, что уменьшает шансы произвести несанкционированный доступ к устройствам системы. Связь между разными подсетями возможна только через маршрутизатор. = Виртуальная сеть = Широковещательный домен = Логическая сеть / подсеть Преимущества VLAN: Сегментация Гибкость Безопасность 23. GOOSE Протокол GOOSE, определяющий обмен сигналами между интеллектуальными электронными устройствами (ИЭУ) на энергообъектах, реализован на канальном уровне. Широковещательное объектно-ориентированное сообщение о событии на подстанции (generic object oriented substation event, GOOSE) широковещательный высокоскоростной внеочередной отчет, содержащий статус каждого из входов, устройств пуска, элементов выхода и реле, реальных и виртуальных. Этот отчет выдается многократно последовательно, как правило, сразу после первого отчета с интервалами 2, 4, 8,…, 60000 мс. Значение задержки первого повторения является конфигурируемым. Такой отчет обеспечивает выдачу высокоскоростных сигналов отключения с высокой вероятностью доставки. GOOSE — для обмена данными между терминалами РЗА и организации оперативной блокировки. Протокол GOOSE описывает быструю передачу данных до 3 мс. Протокол работает на канальном уровне в режиме Multicast, для идентификации многоадресной рассылки используются MAC-адреса физических устройств. При изменении одного или нескольких значений атрибутов устройство моментально инициирует посылку нового GOOSE-сообщения с обновленными данными. GOOSE-сообщения передаются циклически в условиях отсутствия изменений, что позволяет диагностировать локальную вычислительную сеть в режиме реального времени. При пропаже GOOSE-сообщения устройство-приемник может формировать сигнал о неисправности после интервала ожидания прихода сообщения. Благодаря быстродействию используется для передачи команд отключения выключателя от защиты, обмену данными между терминалами РЗА и организации оперативных блокировок. Глава 9-2LE стандарта МЭК 61850 описывает методы передачи мгновенных значений Sampled Values от оптических ТТ и ТН или преобразователей аналоговых сигналов. Стандарт определяет стандартные частоты: 80 и 256 выборок за период промышленной частоты соответственно для устройств релейной защиты и контроля качества электроэнергии. Требования сетевой компании ПАО «Россети ФСК ЕЭС» более жесткие и определяют передачу мгновенных значений с частотой 96 (РЗА, АСУ ТП, коммерческого учёта) и 288 выборок (контроль качества электроэнергии и системы мониторинга переходных режимов). Для обеспечения необходимой точности измерений в системах коммерческого учёта и при реализации функций РЗА устройства ПАС должны быть синхронизированы с точностью не хуже ±1 мкс. Точность синхронизации необходима для минимизации угловой погрешности векторов. 24. MMS Протокол МЭК 61850-8-1 MMS Протокол передачи данных Manufacturing Message Specification (MMS) реализовывает передачу данных по клиент-серверной технологии от измерительных преобразователей, контроллеров присоединения, терминалов релейной защиты на SCADA-серверы и шлюзы телемеханики, передачу управляющих команд от серверного приложения. Также позволяет организовать передачу данных файлов осциллограмм от оборудования РЗА к серверу сбора осциллограмм. Передача данных реализовывается на уровне шины управления. Для организации передачи данных протокол MMS определяет набор стандартных элементов, которые должны существовать в устройстве для осуществления операций чтения и записи переменных и сигнализации о контролируемых событиях. Для обмена информацией между клиентом и сервером определяется набор стандартных сообщений, а также формат кадра данных. Протокол MMS позволяет организовать периодический опрос сервера клиентом и спорадическую передачу данных в виде буферизируемых и небуферизируемых отчётов между клиентом и сервером. Для передачи данных опросом клиент обращается к серверу для организации соединения, по факту установки соединения запрашивает данные и получает их в ответ. Для передачи данных в виде отчётов после установки соединения организовывается передача отчётов по факту изменения значения одного из параметров или его признаков качества. Разница между буферизируемыми и небуферизируемымми отчётами заключается в способности сохранения данных в циклическом буфере памяти при пропадании соединения между сервером и клиентом, при этом при переполнении циклического буфера происходит перезапись старых данных. Стандарт МЭК 61850 определяет условия отправки отчётов: 1) изменение данных Data Change – в отчёт включаются только те данные, значения которых изменились; 2) изменение атрибута качества Quality Change – в отчёт включаются только те данные, качество которых изменилось; 3) обновление данных Data Update – в отчёт включаются только те данные, значения которых обновились. Для измерений причиной передачи является превышение значения апертуры (как в сторону возрастания, так и в сторону убывания значений). Рекомендуется устанавливать апертуры 0,5-1 % в зависимости от класса точности измерительного преобразователя. Все данные набора передаются при выполнении следующих условий: 1) периодическая отправка Integrity – инициируется отправка всего набора данных вне зависимости от условий отправки по заданному расписанию; 2) общий опрос General Interrogation – инициируется отправка всего набора данных вне зависимости от условий отправки по факту инициации запроса со стороны клиента. Так как передача всего набора привязана не к факту возникновения события, то метка времени данных должна игнорироваться. Точное время передается исключительно при использовании отчётов. Протокол MMS определяет время передачи сигналов со временем доставки до 0,5 секунды, передачу информационных моделей устройств и файлов – до 10 секунд. - для интеграции в АСУТП устройства должны быть оснащены резервированным цифровым интерфейсом с поддержкой протокола MMS стандарта МЭК 61850. В ранних АСУТП использовались протоколы: МЭК 60870-5-103, МЭК 60870-5-104, Modbus TCP, Modbus RTU; Протокол MMS реализован на прикладном уровне модели OSI, за счёт инкапсуляции и деинкапсуляции передача данных по этому протоколу осуществляется с программными задержками. MMS используется для передачи данных от терминалов РЗА, измерительных преобразователей, преобразователей дискретных сигналов для обработки и визуализации в SCADA системе. Также протокол поддерживает передачу файлов (например, осциллограмм в формате COMTRADE), формирование и передачу журналов событий, передачу команд дистанционного управления. Стандарт определяет набор стандартных объектов устройств, набор стандартных сообщений между клиентом и сервером, формат кадра данных. MMS поддерживает систему периодического опроса сервера клиентом и спорадическую передачу данных в виде отчётов. Отчёты могут быть буферизированными (отправляется при выполнении условий отправки и сохраняется в памяти сервера до момента восстановления связи с сервером) и небуферизированными (отправляется при выполнении условий отправки и не сохраняется в памяти сервера). При отправке по изменению в отчёт включаются данные при изменении значения данных Data Change, изменении атрибута качества Quality Change и обновлении данных Data Update. 25. SV SV-потоки – это сообщения, содержащие определенный набор данных и передаваемые непрерывно с определенным периодом. Каждое сообщение содержит измерение в определенный момент времени. Измерения берутся с определенной частотой – частотой дискретизации. Частота дискретизации — частота взятия отсчетов непрерывного по времени сигнала при его дискретизации. Частота дискретизации 80 выборок в секунду. Состав SV-потоков описан в МЭК61850-9-2 LE. 26. Кабель типа витая пара Сети на основе кабеля типа "Витая пара" в настоящее время находят широкое применение в локальных компьютерных сетях [3]. Данная технология позволяет передавать большие информационные потоки, чем сети, построенные на коаксиальном кабеле. Вместе с тем "витая пара" остается более экономичным решением в финансовом плане, нежели оптоволоконные сети. Это очень тонкая технология, и для ее качественной реализации необходимо понимать происходящие в кабеле физические процессы. "Витая пара" (twisted pair) - это кабель на медной основе, объединяющий в оболочке одну или более пар проводников. Каждая пара представляет собой два перевитых вокруг друг друга изолированных медных провода. Самая простая витая пара (twisted pair) — это два перевитых вокруг друг друга изолированных медных провода. Несколько витых пар часто помещают в одну защитную оболочку. Их количество в таком кабеле может быть разным. Завивка проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними парами и другими источниками, например двигателями, реле и трансформаторами. Определяющей характеристикой качества данного кабеля является сбалансированность пары, поскольку влияет на большинство других его свойств. Дело в том, что электромагнитное (Electro Magnetic - EM) поле наводит электрический ток в проводниках и образуется вокруг проводника при протекании по нему электрического тока. Взаимодействие между EM-полями и токонесущими проводниками может оказывать отрицательное воздействие на качество передачи сигнала. В обоих же проводниках сбалансированной пары электромагнитные помехи (em1 и em2) наводят одинаковые по амплитуде сигналы, (S1 и S2) находящиеся в противофазе. За счет этого суммарное излучение "идеальной пары" стремится к нулю. Существует несколько разновидностей витых пар: – UTP (Unscreened Twisted Pair) — неэкранированная витая пара. – FTP (Foiled Twisted Pair) — фольгированная витая пара с одним общим внешним экраном. – SFTP (Shielded Foiled Twisted Pair) — фольгированная экранированная витая пара с двумя внешними экранами. – STP (Shielded Twisted Pair) — защищенная витая пара. В таком кабеле каждая пара экранирована отдельным экраном. – S/STP (Screened Shielded Twisted Pair) — защищенная экранированная витая пара, отличающаяся от STP наличием дополнительного общего внешнего экрана. Одним из недостатков витой пары является возможность перехвата передаваемой информации. Это делается либо с помощью воткнутых в кабель двух иголок, либо путем считывания излучаемого кабелем электромагнитного поля. Экранирование обеспечивает защиту от электромагнитных наводок и несанкционированного подслушивания. С другой стороны, экранированный кабель значительно дороже, поэтому используется реже. Кабели на основе витой пары по рабочей частоте делятся на следующие категории. – К категории 1 относят обычные не витые телефонные кабели. По ним можно передавать только речь. – Кабель категории 2 позволяет передавать данные в полосе частот до 1 МГц (используется редко). – Кабель категории 3 используется для передачи данных в полосе частот до 16 МГц. Он состоит из витых пар с девятью витками проводов на 1 м длины. – Кабель категории 4 передает данные в полосе частот до 20 МГц. Используется редко, т.к. не слишком отличается от категории 3. Стандартом рекомендуется вместо кабеля категории 3 переходить сразу на кабель категории 5. – Кабель категории 5 в настоящее время самый совершенный кабель, рассчитанный на передачу данных в полосе частот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27-ми витков на 1 м длины. – Кабель категории 6 — перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 200 (или 250) МГц. – Кабель категории 7 — перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 600 МГц. не более 17 нФ на 305 м при частоте сигнала 1 кГц и температуре окружающей среды 20°С. Итак, преимущество витых пар заключается в простоте монтажа и ремонта, а также в низкой стоимости кабеля. С другой стороны, неэкранированные кабели на основе витых пар обладают рядом недостатков: они подвержены влиянию электромагнитных помех и не гарантируют защиту передаваемой информации. Максимальная длина кабеля составляет 100 м. 27. Оптоволонный кабель Оптоволоконные сети, безусловно, являются одним из самых перспективных направлений в области связи. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля. Кроме того, оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями. Несмотря на то, что эта технология все еще остается дорогостоящей, цены на оптические компоненты постоянно падают, в то время как возможности медных линий приближаются к своим предельным значениям и требуются все большие затраты на дальнейшее развитие этого направления. Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) - это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Структурная схема ВОЛС, применяемой для создания подсистемы внешних магистралей, изображена на рисунке.6.1 В зависимости от основной области применения волоконно-оптические кабели подразделяются на три основных вида: · кабели внешней прокладки (outdoor cables); · кабели внутренней прокладки (indoor cables); · кабели для шнуров. Теория оптического волокна В основе оптоволоконных технологий [1] лежит принцип использования света, как основного источника информации. Отправитель преобразовывает информацию в световую волну, а адресат, получая последнюю, в свою очередь интерпретирует свет как информацию. Свет гораздо проще передать на дальние расстояния с меньшими потерями, нежели электрический ток. Кроме того, он не подвержен воздействию электромагнитных полей и способен передавать на порядки большее количество информации. С другой стороны оптические технологии во многом являются более тонкими, поэтому качественная реализация оптоволоконного проекта требует детального понимания механизма передачи света и применяемых законов оптики. Строение оптоволокна Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки. Распространение света в оптоволокне Распространение луча света в оптическом волокне происходит по закону Снелла-Декарта. Свет вводится через полный приемный конус Оптическая плотность – мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. n – показатель преломления. Преломление Явление преломления выражается в изменении угла прохождения луча света через границу двух сред. Если α>α0, то луч полностью преломляется и выходит из сердцевины. Отражение Отражение является изменением направления светового луча на границе между двумя средами. В этом случае, световой луч возвращается в сердцевину, из которой он произошел.Если α<α0, то луч отражается и остается в сердцевине. Принцип распространения Лучи видимой области спектра входит в оптоволокно под разными углами и идут разными путями. Луч, вошедший в центр сердцевины под малым углом пойдёт прямо и по центру волокна. Луч вошедший под большим углом или около края сердечника пойдёт по ломаной и будет проходить по оптоволокну более медленно. Каждый путь, следуя из данного угла и точки паления даст начало моде. Поскольку моды перемещаются вдоль волокна, каждая из них до некоторой степени ослабляется. Мода – вида траектории вдоль которой может распространяться свет. Виды оптических волокон Одномодовое и многомодовое оптическое волокно Диаметр сердечника одномодового волокна – от 8 до 9 микрон В настоящее время используют три стандартных диаметра сердечника многомодового волокна: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон. Наиболее распространены световоды диаметром 62.5 микрон, однако постепенно все более прочные позиции завоевывает сердечник 50 микрон. Вследствие простых геометрических законов распространения света несложно убедиться в его большей пропускной способности, поскольку он пропускает меньшее количество мод, тем самым, уменьшая дисперсию импульса на выходе. Размер световодов выбран не случайно. Он непосредственно связан с используемой частотой световой волны. На данный момент выделяют три основных длины волны: 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Многомодовые ступенчатые волокна обладают малой пропускной способностью относительно действительных возможностей света, в связи с этим чаще в многомодовой технологии используют градиентные волокна. Симплексный и дуплексный кабели В симплексном кабеле только один световод, а в дуплексном - два. Дуплексный кабель физически состоит из двух симплексных, которые заключены в общую оболочку. Многожильные кабель состоит из нескольких световодов. Пигтейл и патч-корд Патч-корд – соединительный оптический шнур, оконцован с двух сторон Пигтейл - монтажный шнур, оконцован с одной стороны Соединение оптических кабелей Различают разъемные и неразъемные соединения Неразъемные соединения осуществляются сваркой, склейкой или посредством соединительных трубок, которые сжимаются при нагревании. На стыке не должно быть пузырьков, неоднородностей или других дефектов. Торцы обрабатываются перед соединением. Стыки контролируются микроскопом и рефлектометром. Для защиты места соединения могут применяться специальные втулки или муфты. Для реализации разъемных соединений используются коннекторы разных типов: ST, SC, FDDI и другие. Оптоволокно зачищается от оболочек и буфера и устанавливается в коннектор, так чтобы был достаточно длинный свободный конец. Используются обжимные технологии и технологии в которых используется фиксирующий состав (так называемый epoxy). Наиболее популярной из современных технологий является технология hot melt. Она заключается в том, что фиксирующий состав находится в коннекторе и при нагревании после установки коннектора охватывает оптоволокно и затвердевает. После установки коннектора свободный конец обрезается, а торец в месте среза тщательно полируется определенным образом. Типы оптических коннекторов Самым распространенным представителем в локальных оптических сетях является ST-тип коннектора (см. рис.10.6) (от англ. Straight Tip). Керамический наконечник имеет цилиндрическую форму диаметром 2.5 мм со скругленным торцом. Фиксация производится за счет поворота оправы вокруг оси коннектора, при этом вращения основы коннектора отсутствуют (теоретически) за счет паза в разъеме розетки. Слабым местом ST-технологии является вращательное движение оправы при подключении/отключении коннектора. Слабые стороны ST-коннекторов в настоящее время решают за счет применения SC-технологии (от англ. Subscriber Connector). Сечение корпуса (см. рис.10.7) имеет прямоугольную форму. Подключение/отключение коннектора осуществляется поступательным движением по направляющим и фиксируется защелками. Коннекторы типа LC (см. рис.10.8) - это малогабаритный вариант SC-коннекторов. Он также имеет прямоугольное сечение корпуса. Конструкция исполняется на пластмассовой основе и снабжена защелкой, подобной защелке, применяющейся в модульных коннекторах медных кабельных систем. Вследствие этого и подключение коннектора производится схожим образом. Наконечник изготавливается из керамики и имеет диаметр 1.25 мм. 28. Протокол синхронизации времени PTP Протокол точного времени (PTP) — это протокол, используемый для синхронизации часов по всей компьютерной сети. В локальной сети он обеспечивает тактовую точность в субмикросекундном диапазоне, что делает его подходящим для систем измерения и управления. Есть две версии протокола: • PTPv1 – была выпущена в 2002 • PTPv2 – стандарт был обновлен в 2008 году и выпущен протокол второй версии • Обратная совместимость не была сохранена! Профили PTP: • Default Profile (IEEE 1588) • Power Profile • Telecom Profile • Broadcast Profile • Media Profile Power Profile: • Точность не хуже 1 мкс • Не более 15 прозрачных часов или трое граничных • Передача сообщений Announce, Sync, Pdelay_Req происходит каждую секунду • Передача только через сети L2 • Передача сообщений только Multicast-рассылкой • Peer-to-peer механизм измерения задержек 29. Протокол синхронизации времени NTP Протокол сетевого времени NTP (SNTP) NTP (англ. Network Time Protocol — протокол сетевого времени) — сетевой протокол для синхронизации внутренних часов компьютера. Протокол был разработан Дэвидом Л. Миллсом, профессором Делавэрского университета, в 1985 году. NTP использует для своей работы протокол UDP. Протокол NTP применяется для синхронизации внутренних часов вычислительных машин посредством сетей. Алгоритм, который лежит в основе его работы, способен выбирать самые точные источники для сравнения времени и минимизировать риск появления недостоверной информации. Программе удаётся добиться высокой точности – до наносекунд. К тому же, протокол NTP может находить ошибки в работе серверов. Оценка точности данных осуществляется иерархично. Существует 15 уровней (стратумов). Первый стратум – это источник точного времени. Второй – это узел, получивших данные от первого и т.д. Время представляется в системе NTP 64-битным числом (8 байт), состоящим из 32-битного счётчика секунд и 32-битного счётчика долей секунды, позволяя передавать время в диапазоне 232 секунд, с теоретической точностью 2−32 секунды. Поскольку шкала времени в NTP повторяется каждые 232 секунды (136 лет), получатель должен хотя бы примерно знать текущее время (с точностью 68 лет). Также следует учитывать, что время отсчитывается с полуночи 1 января 1900 года. SNTP – протокол, являющийся упрощенной версией NTP, без всех его сложностей. Для узлов задействуются локальные сети, не требующие полноценной реализации сложных алгоритмов. Часы нескольких узлов синхронизируются с другими узлами локальных сетей посредством использования Интернет-соединения. Точность данных варьируется в пределах 1-50 мс. Соответственно, главное отличие между протоколами NTP и SNTP заключается в точности. Если первый показывает время с точностью до наносекунд, то второй – до миллисекунд. На рис.X представлена типовая схема СОЕВ в нерезервированном исполнении. Рис. X. Типовая схема СОЕВ в нерезервированном исполнении 30. Синхронизация 1PPS Еще одним способом синхронизации времени в АСУТП является применение сигнала 1-PPS, что расшифровывается как – «один импульс в секунду». Сигнал представляет собой обычный прямоугольный импульс частотой 1 Гц, в котором передний либо задний фронт означает начало секунды. Точность синхронизации при применении такого импульса составляет порядка нескольких наносекунд. С учётом задержки пропускания сигнала в физическом канале передачи достигаемая точность при таком методе может составлять 1 мкс. Сам по себе сигнал 1 PPS не содержит дополнительной информации по времени, поэтому фронт импульса может быть привязан к конкретному абсолютному времени. В результате дополнительная информация по времени должна быть передана к синхронизируемым устройствам с помощью отдельной вспомогательной системы синхронизации (например, NTP). В связи с этим метод 1 PPS в последнее время теряет свою актуальность для целей синхронизации на энергообъектах. Рис. X. Осциллограмма сигнала на выходе 1-PPS сервера времени 31. Файлы стандарта МЭК 61850 МЭК-61850 — стандарт «Сети и системы связи на подстанциях», описывающий форматы потоков данных, виды информации, правила описания элементов энергообъекта и свод правил для организации событийного протокола передачи данных. Стандарт МЭК 61850 регламентирует применение различных протоколов передачи данных для различных задач в рамках вторичной системы подстанции: - для передачи измерений от электронных измерительных трансформаторов тока и напряжения и преобразователей аналоговых сигналов (мгновенных значений) применяется протокол Sampled Values, определяемый главой МЭК 61850-9-2; - для передачи дискретных сигналов от преобразователей дискретных сигналов (ПДС) к устройствам РЗА и КП, от устройств РЗА и КП к ПДС, а также для быстрого обмена информацией о событиях между различными устройствами на ПС применяется протокол GOOSE, определяемый главой МЭК 61850-8-1; - для передачи данных телесигнализации, телеизмерений и команд телеуправления между устройствами и системой АСУ ТП применяются коммуникационные сервисы стандарта МЭК 61850, реализуемые с использованием протокола MMS, в соответствии с положениями главы МЭК 61850-8-1. 11 В рамках применения коммуникационных сервисов стандарта МЭК 61850 с применением протокола MMS обычно выделяют отдельные сервисы, используемые для решения различных задач: - сервис Управления используется для организации управления объектами данных внутри устройств (РЗА, КП и др.), в том числе для организации оперативного управления коммутационными аппаратами; - сервис Отчетов используется для организации передачи информации (телесигнализация, телеизмерения) от устройств в систему АСУ ТП или в автономный РАС. MMS (Manufacturing Message Specification)— протокол передачи данных по технологии «клиент-сервер». 32. Оборудование для наладки ЦПС Цифровой подстанцией называется подстанция, в которой организация всех потоков информации при решении задач мониторинга, анализа и управления осуществляется в цифровой форме, а параметры такой передачи определяются единым файлом электронного проекта. В качестве основной среды передачи данных в рамках цифровой подстанции используется локальная вычислительная сеть (ЛВС) на базе технологии Ethernet, а в качестве коммуникационных протоколов применяются протоколы, описанные стандартом МЭК 61850. Одной из ключевых особенностей цифровой подстанции является приближение устройств сбора дискретных и аналоговых сигналов и выдачи управляющих воздействий непосредственно к оборудованию с последующей передачей всей информации, необходимой для функционирования комплексов РЗА и АСУ ТП ПС, в цифровой форме. Благодаря этому достигается сокращение суммарной длины электрических кабелей и вторичных цепей, как следствие снижение вероятности их повреждения и повышение наблюдаемости вторичных систем. В проектах цифровых подстанций большую роль играет достоверность и надёжность данных, передаваемых в цифровой форме. В связи с этим особая роль в проекте ЦПС должна уделяться следующим основным элементам: первичное оборудование, являющееся источниками и/или приёмниками цифровых данных, включая силовые выключатели и разъединители с интегрированными в привод цифровыми устройствами, электронные трансформаторы тока (ЭТТ) и трансформаторы напряжения (ЭТН) с цифровым интерфейсом (ЦТТ и ЦТН) и иное оборудование; вторичное оборудование, обеспечивающее сопряжение аналоговых интерфейсов первичного оборудования с цифровыми системами, включая преобразователи аналоговых сигналов (ПАС) и преобразователи дискретных сигналов (ПДС), а также комбинированные преобразователи аналоговых и дискретных сигналов (ПАДС); коммуникационная подсистема, состоящая из коммутаторов и структурированной кабельной системы; ИЭУ вторичных систем, осуществляющие приём, обработку и передачу цифровых данных. ЗАДАЧИ 1. Определить количество коммутаторов для шины процесса и шины станции. Учесть следующие условия: поддержка устройствами протокола PRP, протокол синхронизации времени SNTP, PTPv2, резервирование портов коммутаторов – 10-15%, коммутаторы соединены в кольцо, количество портов коммутатора – 24. Подключаемые устройства: сетевое оборудование для взаимодействия с шиной управления (2 шт.); контроллеры присоединения (4 шт.); шлюзы телемеханики (2 шт.); терминалы РЗА (22 шт.); АРМ ОП (3 шт.); терминалы ОМП (7 шт.); автоматизированная система мониторинга автотрансформаторов (1 шт.); ПДС (14 шт.); ПАС (16 шт.); контроллер ОПС (1 шт.); контроллер ЩПТ (1 шт.); контроллер ЩСН (1 шт.). 2. Определить количество коммутаторов для шины процесса и шины станции. Учесть следующие условия: поддержка устройствами протокола PRP, протокол синхронизации времени SNTP, PTPv2, резервирование портов коммутаторов – 10-15%, коммутаторы соединены в кольцо, количество портов коммутатора – 16. Подключаемые устройства: сетевое оборудование для взаимодействия с шиной управления (2 шт.); контроллеры присоединения (6 шт.); шлюзы телемеханики (2 шт.); терминалы РЗА (36 шт.); АРМ ОП (3 шт.); терминалы ОМП (12 шт.); автоматизированная система мониторинга автотрансформаторов (1 шт.); ПДС (16 шт.); ПАС (18 шт.); контроллер ОПС (1 шт.); контроллер ЩПТ (1 шт.); контроллер ЩСН (1 шт.).
