Современная телекоммуникационная сеть энергопредприятия – крен в сторону IP

Андрей Клименко
Технический директор ТОО «ADVANTEK SYSTEMS»

В Законе Республики Казахстан «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности» понятие «энергосбережение» определено, как реализация организационных, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов.

Одним из основных направлений государственного регулирования в сфере энергосбережения и повышения энергоэффективности является организация учета производимых, передаваемых и потребляемых энергетических ресурсов. Государственными мерами, направленными на обеспечение энергосбережения и повышения энергоэффективности, предусматривается обязательная установка соответствующих приборов учета энергетических ресурсов, автоматизированных систем регулирования теплопотребления.

Уважаемый Читатель понимает, что создание современной автоматизированной системы регулирования невозможно на сегодня без использования надежных каналов передачи данных.

Если оценивать по пятибалльной шкале приоритетов компоненты современных автоматизированных систем в энергетике, то каналам передачи данных и каналам связи можно смело ставить пять баллов. При наладке АСУ, АСУТП, работы с коммуникационным оборудованием и каналами связи являются достаточно трудоемкими и занимают основной временной ресурс проекта. Какими бы сверхнадёжными, суперсовременными и функциональными не были приборы учёта, серверное оборудование, контроллеры, программное обеспечение — вся работа системы может быть сведена к нулю в случае наличия проблем со связью, которые могут повлечь за собой сбои в передаче данных, сигналов телеметрии, а и того хуже сигналов телеуправления. Передача данных является приоритетной частью системы управления, Отказ канала передачи данных может привести к потере информации от тысячи точек сбора данных.

Адресной аудиторией данного журнала являются специалисты энергетической отрасли. Я думаю, для уважаемых Читателей не будет открытием то, что объектам энергетики равно как и другим промышленным объектам присущи:

• наличие высоких уровней электромагнитных излучений
• широкий диапазон температурных колебаний
• большой уровень механических вибраций
• разрушающие и осложняющие нормальную работу любого электронного оборудования загрязнения

Существуют так называемые «общие» и так называемые «отраслевые» проблемы эксплуатации любого электронного оборудования, в том числе и телекоммуникационного в индустриальных зонах

1. Температурный режим – низкая температура среды эксплуатации (до –45Сº) или высокая температура (до +80Сº)‏
2. Резкие перепады внешних температур (от тепла к холоду и от холода к теплу)‏
3. Грязь, копоть, взвеси…
4. Возможно высокая влажность
5. Условия эксплуатации, требующие определенной ударостойкости от оборудования

• Взрывоопасные зоны
• Повышенная вибрация
• Высокое электромагнитное излучение

Для каждого из случаев эксплуатации оборудования в неблагоприятных условиях определен свой порядок стандартизации и сертификации оборудования.

К основным существующим стандартам и сертификатам можно отнести:

• IEC 60068-2-6 - Вибрация (синусоидальная)
• 1.-IEC 60068-2-1 – Холод
• IEC 60068-2-2 – Сухое тепло
• ATEXClass 1, Zone 2 –Директива к устройствам, предназначенным для применения в потенциально взрывоопасных зонах
• 199. IEC 61850-3 - Системы и сети связи на подстанциях – о них и пойдет речь далее… Сначала стандарт.

Для многих промышленных предприятий в различных отраслях уже давно не новой является тенденция, связанная с использованием общей коммуникационной схемы, сущность которой состоит в возможности взаимодействия между различными интеллектуальными электронными устройствами по общей и единой технологии. Энергетика в этом отношении не стала исключением. Инициатива применения подобной схемы возникла у крупных североамериканских предприятий в конце 80-х годов прошлого столетия. Результатом стал стандарт, известный как Utility Communications Architecture 2.0 (UCA2.0). В настоящее время он является международным стандартомIEC61850. В основе описанной им сетевой архитектуры лежит технология Ethernet. Благодаря этому, а также за счет поддержки Ethernet всеми производителями электронных интеллектуальных устройств, эта система передачи данных на электрических подстанциях приобрела популярность в мировой практике.

Объектно-ориентированная структура имеет значительные преимущества для пользователей:

• Облегчает установку и техническое обслуживание с помощью устройств, которые практически сводят к нулю ручную настройку.
• Уменьшает усилия на стадии проектирования и внедрении с помощью стандартизированных объектных.
• Снижает затратную часть и время настройки и инсталляции нового и обновлённого оборудования с помощью стандартизированных файлов, предназначенных для настройки устройств.
• Снижение затрат на провода между тем, как обеспечивается более высокий уровень защиты с помощью использования PtP сообщений для правильной передачи данных между устройствами.
• Снижение затрат на провода и сенсоры с помощью использования единой высокоскоростной шины, которая распределяет сигналы между устройствами.
• Обеспечивает полным набором услуг для оповещения, доступу к данным, регистрации событий и контролю, достаточному для большинства приложений.
• Обеспечивает максимум гибкости для пользователя при выборе между количеством взаимодействующих продуктов.
• Снижение затрат на инфраструктуру связи, с помощью легкодоступных TCP/IP и Ethernet технологий.

Концепция построения единого информационного пространства энергетического предприятия, основанная на IEC 61850-3 состоит из следующих пунктов:

1. Построение единой информационной системы энергетической корпорации – создание бесшовной, единой сети из однородного оборудования.
2. Отказоустойчивость и надежность всей структуры определяется элементами системы.
3. Технологии резервирования и время восстановления связи должны соответствовать задачам, которые решают подсистемы и сама система в целом
4. Масштабирование системы – возможность добавления устройства или целого участка не должно вызывать никаких проблем.
5. Требование к обслуживанию системы – простота и доступность кадров (исключение уникальных, очень дорогих и дефицитных специалистов).
6. Алгоритмы настройки, ввода в эксплуатацию системы должны быть достаточно простыми и быстрыми.
7. При необходимости изменение конфигурации системы должно быть максимально простым и быстрым.
8. Возможность стыковки с существующими сетями
9. Функциональность Ethernet сети – VLAN, QoS, 802.1p, и т.д. плюс функциональность Industrial Ethernet (eRTP, S-Ring и т.д.)‏
10. Стоимость построения сети – соответствует стоимости построение сети Ethernet.

При этом при всем необходимо понимать, что компоненты ЛВС должны соответствовать среде эксплуатации.

Электрическая подстанция - это прежде всего агрессивное место для электронного оборудования.

В промышленной среде сеть должна работать надежно в чрезвычайных ситуациях, вызванных в том числе и жесткими условиями эксплуатации:

• электромагнитное излучение
• повышенное механическое воздействие.

В индустриальных зонах не допустимо использовать и эксплуатировать офисное оборудование, которое рассчитано на лояльные условия эксплуатации.

Компания RAD, являющаяся одним из основных производителей мультисервисного телекоммуникационного оборудования специализируется, в том числе и на производстве оборудования по стандарту Industrial Ethernet. Приоритетность построения решений для энергетических предприятий на базе оборудовании RAD обоснована, прежде всего, наличием широкой совместимой линейки промышленных коммутаторов, маршрутизаторов, промышленных сетевых экранов, а также всевозможных конверторов и преобразователей интерфейсов. С помощью вышеназванных устройств Industrial Ethernet можно создавать высокоотказоустойчивые системы, предназначенные для передачи данных с минимальным временем восстановлением сети, в случае сбоя.

• Создание высокоотказоустойчивого единого информационного пространства любого промышленного предприятия, части которого могут работать в совершенно разных условиях эксплуатации.
• Объединение разрозненных сегментов и сетей предприятия (корпорации).
• Передача информации на малые и очень большие расстояния, как по оптическим средам, так и по беспроводной среде.
• Передача видео и голоса.
• Приоритезация трафика
• Логическое разграничение сетей (VLAN)
• Настройки под задачи пользователя (QoS)

Оборудование настраивается и управляется аналогично офисным устройствам – посредством telnet, web или программного обеспечения (специализированного программного обеспечения от производителя)

Безопасность устройств выше чем у офисного, так как задачи, решаемые оборудованием зачастую связаны с работой на режимных стратегических объектах.

Оборудование устанавливается непосредственно в ячейках технологических шкафов, в машинных залах, на территории ОРУ одним словом практически без ограничения по месту установки. Удобный конструктив позволяет монтировать оборудование на DIN рейку.

Безусловное и полное сопряжение с уже существующим «офисным» Ethernet.

В основе стандарта Industrial Ethernet лежит стандарт «классического», посему все протоколы и стандарты поддерживаются нормально работают. Типовая схема построения телекоммуникационной сети энергопредприятия по стандарту Ethernet приведена ниже на рисунке.

Если говорить о процессе постепенной модернизации, то решения RAD позволяют с помощью одного мультиплексирующего мультисервисного устройства подключать подстанции по медной, оптоволоконной и беспроводной инфраструктуре. Мультиплексоры на подстанциях поддерживают любые услуги связи: передачу аналогового голоса, VoIP; связь по «горячей линии»/телеконференции, расширение АТС; передачу данных SCADA и телеметрии для аналоговых/цифровых удаленных терминалов, контроллеров и реле; удаленную релейную защиту; связь по линиям электросети(PLC; соединение локальных сетей на подстанциях и в центре управления; системы видеонаблюдения (CCTV); подвижную радиосвязь (PMR) и системы TETRA.

Мультиплексоры RAD позволяют надежно, точно и без задержек передавать параметры нагрузки, различные оповещения и сигналы между центральным пунктом управления и многочисленными подстанциями и станциями телеметрической сети. Несколько таких мультиплексоров, соединенных в самовосстанавливающееся многоскоростное кольцо TDM и Ethernet, позволяют создать систему, не имеющую точек отказа, а также предоставляет экономичную альтернативу многоканальному соединению. В самих устройствах реализовано резервирование канала связи и системной части, что гарантирует непрерывность работы сервисов в критически важных приложениях.

Для доставки специального и традиционного TDM трафика от оборудования на подстанциях по сетям IP наилучшим образом подходит эмуляция каналов с помощью технологии TDMoIP, признанной в отрасли стандартной технологии, запатентованной RADом. Традиционный трафик инкапсулируется при этом в IP пакеты. Соответствующее оборудование RAD сохраняет качество сервиса и низкий уровень задержки при передаче трафика. Особенно важно обеспечить предсказуемые параметры качества QoS при передаче по пакетной инфраструктуре трафика приложений современных телеметрических сетей. Оборудование RAD осуществляет это с помощью управления трафиком с различными приоритетами, сквозной поддержкой OAM и мониторинга производительности.

Технология TDMoIP поддерживает легкую интеграцию традиционных сервисов и сервисов нового поколения: передачу трафика контроллеров IED, VoIP телефонии, широкополосного трафика IP видеокамер, доступ VPN по интернету. Псевдопроводная передача TDMoIP позволяет сохранить традиционные приложения энергосистем и существующее оборудование даже после того, как магистральные сети связи заменены на IP/MPLS.

Решения TDMoIP будут работать и в будущем и подходят для построения современных энергетических систем (Smart Grid) и архитектуры систем связи на подстанциях согласно стандарту IEC 61850, включая обмен данными по протоколу GOOSE/GSSE в реальном времени. Они также поддерживают надежную передачу сервисов Ethernet между узлами энергетической сети.

Если говорить о беспроводной среде передачи данных в аспекте построения опорных сетей энергопредприятий, то здесь наша компания совместно с компанией «CERAGON» готова предоставить новую высокопроизводительную радиорелейную систему. К слову, оборудование данного производителя уже на протяжении нескольких последних лет работает и имеет только положительные отзывы именно на энергетических объектах с высокими показателями по электромагнитным помехам.

FibeAir® IP-20C

FibeAir IP-20C устанавливает новый стандарт передачи в микроволновом диапазоне, сочетая многоядерную технологию, модуляцию QAM 2048 и множественный ввод-вывод MIMO 4x4 в одном компактном устройстве, предназначенном полностью для наружной установки.

Техническое решение FibeAir IP-20C обеспечивает пропускную способность порядка нескольких Гбит/с на одном канале частот, фактически устанавливая новый стандарт эффективности использования спектра. Сочетая инновационную архитектуру многоядерной радиосистемы с модуляцией QAM 2048 и применением технологии множественного ввода-вывода MIMO 4x4 в условиях прохождения сигнала по линии прямой видимости, оно позволяет достичь 4-кратного роста пропускной способности по сравнению с существующими решениями.

Уникальная многоядерная архитектура радиосистемы FibeAir IP-20C основана на передовом механизме параллельной обработки потоков передачи данных по радио, который выстроен, в основном, вокруг широкополосного модема собственной разработки компании «Ceragon» и наборов микросхем (чипсетов) RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit – радиочастотная интегральная схема). В результате были получены превосходные характеристики работы радиосистемы при одновременном снижении энергопотребления и уменьшении конструктивного форм-фактора.

Основные функциональные возможности

• Набор микросхем (чипсет) собственной разработки: широкополосный модем и радиочастотная интегральная схема (RFIC).
• Механизм параллельной обработки потоков данных, передаваемых по радио.
• Гибкая архитектура радиосистемы, позволяющая удвоить пропускную способность/дальность дистанции и снизить потребляемую мощность.
• Модуляция QAM 2048. Интегрированная XPIC (Cross Polarization Interference Cancellation – устранение помех перекрестной поляризации) в одном блоке.
• Технология множественного ввода-вывода в условиях прохождения радиосигнала по линии прямой видимости (LoS 4x4 MIMO) позволяет в 4 раза увеличить пропускную способность, используя всего 2 радиоблока.
• Повышение эффективности использования спектра до 30% за счет использования многоуровневого сжатия заголовков пакетов.
• Широкий ряд поддерживаемых каналов: 28, 40, 56, 112 МГц.
• Работает в диапазоне частот 6 – 42 ГГц.
• Пропускная способность 1 Гбит/с на одном канале 28 МГц.
• Максимальная пропускная способность более 2 Гбит/с при использовании каналов с более широкой полосой.

Если у Вас возникли вопросы – обращайтесь в компанию ТОО «ADVANTEK SYSTEMS».