SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Портативный анализатор параметров передачи GOOSE-сообщений и SV-потоков

Новый прибор компании «Аналитик-ТС» выполняет на цифровой подстанции роль, аналогичную мультиметру при контроле традиционных проводных связей между устройствами. В статье подробно рассказано о функциональности портативного анализатора.

ООО «Аналитик-ТС», г. Москва

analitic_site.gif


Предпосылки к созданию прибора

Внедрение стандарта МЭК 61850 должно сопровождаться появлением простых в использовании приборов, предназначенных для контроля параметров передачи сообщений между устройствами цифровой подстанции (ЦПС). Можно назвать следующие предпосылки к этому утверждению:
- отсутствие общепринятой сквозной технологии проектирования и развертывания ЦПС, обеспечивающей требуемую производительность и надежность, большое влияние «человеческого фактора»;
- необходимость сопряжения устройств от разных производителей при недостатке информации о важных деталях внутренней реализации;
- исследовательский характер многих проектов по внедрению стандарта МЭК 61850, вызывающий необходимость в удобных средствах обнаружения ошибок в непредвиденных ситуациях.

Одним из приборов, призванных облегчить решение возникающих проблем, является новая разработка OOO «Аналитик-ТС» – портативный анализатор AnCom РЗА-Тест/GOOSE.


Особенности прибора

Прибор обнаруживает, декодирует и контролирует ошибки GOOSE-сообщений, а также формирует заданную последовательность GOOSE-сообщений по двум портам Ethernet 10/100/1000 Мбит/с. Формирование сообщений и контроль параметров принятых сообщений могут выполняться c помощью описаний из файлов конфигурации CID или SCD.

Устройство определяет парамет­ры, характеризующие трафик и количество ошибок в сети Ethernet, а также количество событий и количество ошибок приема GOOSE-сообщений.

Сообщения индицируются на экране управляющего Android-планшета в виде компактной цветной таблицы, позволяющей оперативно воспринимать информацию о параметрах сообщений, изменении сигналов и обнаружении ошибок. Наличие активности передачи и ошибок приема сообщений выделяется цветом полей таблицы.

Каждому сообщению c уникальным именем goCBRef соответствует единственная строка, содержащая все параметры GOOSE, счетчики ошибок и параметры ретрансмиссии. Прибор контролирует следующие виды ошибок:
- задержку ретрансмиссии;
- пропуск или дублирование сообщений;
- ошибки синхронизации времени ClockFailure, ClockNotSynchronized;
- несоответствие SCL-описанию.

По каждому интервалу ретрансмиссии T1, T2, T3, T0 в таблице отображается минимальное, максимальное и среднее значение за время измерений, а также соответствующее значение максимального времени ожидания (timeAllowedToLive).

Формируемые GOOSE-сообщения во время настройки делятся на две категории в зависимости от способа их использования:
- сообщения реального времени с высокой точностью формирования временной последовательности передачи;
- фоновые сообщения, предназначенные для создания требуемого уровня загрузки сети. Прибор не анализирует принятые фоновые сообщения и осуществляет их ретрансмиссию по упрощенной схеме.

Поток фоновых сообщений формируется в виде пачек с заданной величиной разрыва (Interpacket Gap) между пакетами в пачке и программируемыми интервалами между пачками. Уменьшение интервалов между пачками обеспечивает заполнение канала Ethernet пакетами фоновых сообщений вплоть до 100 % пропускной способности.

Сообщения реального времени обладают приоритетом передачи и вставляются в ближайший промежуток между фоновыми сообщениями, если происходит их совместная передача через один Ethernet-порт. Сообщения реального времени, как показано на рис. 1, формируются с точными метками времени отправления в сеть (GOOSE Timestamp), что позволяет измерять время передачи сообщений по исследуемым фрагментам сети. При измерении требуется синхронизация времени, но нет необходимости запрашивать на стороне приема информацию о времени передачи сообщений удаленным анализатором.

Ris.1.png

Рис. 1. Измерение времени передачи сообщений между двумя анализаторами

Прибор осуществляет запись последовательностей GOOSE-сообщений во внутреннюю память. Параллельно ведется подсчет и запись показателей сетевой нагрузки (EtherStat), а также количества событий и ошибок GOOSE. Просмотр показателей сетевой активности обеспечивается в табличной и графической форме.

Обеспечивается построение графиков изменения значений атрибутов данных и построение статистических диаграмм временных задержек. Диаграмма содержит гистограмму распределения, среднее значение, стандартное отклонение или медиану и квартили исследуемой задержки. Прибор измеряет и определяет статистические характеристики следующих типов задержек:
- задержки приема сообщения-отклика на воздействующее сообщение (так называемый пинг-понг) или круговой задержки сообщения;
- времени передачи сообщения с точной временной меткой отправления;
- интервалов ретрансмиссии T1, T2, T3, T0.

Анализатор, изображенный на рис. 2, выполнен в виде малогабаритного приборного блока с двумя Ethernet-портами и разъемом для подключения устройства синхронизации времени по GPS/ГЛОНАСС. Управление приборным блоком осуществляется с помощью Android-планшета по радиоканалу Bluetooth и не оказывает влияния на объекты измерений в сети Ethernet.

Ris.2.png

Рис. 2. Приборный блок с управляющим планшетом и устройством синхронизации времени

Планшет может управлять несколькими приборными блоками. Данные сохраняются в памяти приборного блока, управляющий планшет можно выключить после начала проверки и включить вновь для индикации результатов. При долговременных проверках питание приборного блока осуществляется от сети.

Анализатор был представлен на выставке «РЗА 2014» с ограниченным набором функций. В настоящее время реализуется запланированная функциональность прибора в части одновременного формирования и анализа GOOSE-сообщений и потоков Sampled Values.


Возможности прибора по исследованию устройств РЗА

Прибор позволяет выполнить проверку соответствия интеллектуального электронного устройства (ИЭУ) заявленному классу производительности при передаче GOOSE-сообщений в соответствии с требованиями стандарта МЭК 61850-10 и методикой UCA International Users Group*. Схема проверки представлена на рис. 3. В данной проверке прибор заменяет исследовательский комплекс, состоящий из симулятора GOOSE-сообщений, сетевого анализатора с функцией точной фиксации времени приема пакетов и ПО постобработки принятых сообщений.

Ris.3.png

Рис. 3. Проверка соответствия ИЭУ заявленному классу производительности GOOSE

Проверкой может быть выявлена зависимость времени передачи GOOSE от количества подписанных и неподписанных сообщений, а также от интенсивности обмена и структуры передаваемого набора данных, поскольку о существовании подобной зависимости упоминают разработчики стеков протоколов МЭК 61850. По данным SystemCorp Embedded Technology**, например, время передачи GOOSE-сообщений версией стека PIS‑10 увеличивается с 0,62 до 1,25 мс «при определенной сетевой нагрузке», но характер этой нагрузки никак не детализируются.

Прибор позволяет выполнить проверку работоспособности ИЭУ при информационном всплеске со 100 %-ной загрузкой пропускной способности Ethernet и последующей нормализацией трафика. Таким способом можно оценить устойчивость к гипотетической DoS-атаке.

Нужно отметить полезные возможности прибора при проверках общей работоспособности ИЭУ и проверках прохождения тестовых воздействий:
- формирование GOOSE-сообщений с произвольной структурой передаваемого набора данных во встроенном редакторе на базе спецификаций классов общих данных (CDC) или с помощью SCL-файлов конфигурации;
- отображение принятых значений атрибутов данных в виде таблицы именованных значений с выделением обнаруженных изменений цветом;
- построение графиков изменения значений атрибутов данных с учетом атрибутов качества, визуальное сопоставление интересующих графиков, курсорные измерения на графиках;
- проверка реакции ИЭУ на получение GOOSE-сообщений c ошибками нумерации, задержками ретрансмиссии и другими отклонениями от стандарта передачи.


Исследование прохождения по сети ЦПС

Проектированию и проверкам сетевой инфраструктуры ЦПС посвящена отдельная часть во второй редакции стандарта МЭК 61850-90-4. 

Требуемая производительность должна обеспечиваться выбором топологии, оптимальной настройкой сетевого оборудования, а также контролем правильности прохождения сообщений в процессе развертывания сети.

Примером такой проверки является контроль наличия приема требуемых сообщений в точке подключения в соответствии с описанием в SCL-файле. В ходе проверки может обеспечиваться оперативный или долговременный (сутки и более) контроль ошибок GOOSE-сообщений и сбор параметров, характеризующих нагрузку в сети. Проверка может сопровождаться периодической загрузкой сети интенсивным потоком фоновых сообщений, имитирующих всплески сетевой активности. Ошибки приема, отсутствие доставки требуемых сообщений или наличие «лишних» сообщений наглядно отображается в таблице результатов на экране анализатора. По результатам проверки может быть сформирован текстовый отчет.

Прибор можно использовать для проверок настройки Ethernet-коммутаторов, предназначенных для передачи сообщений с тегом 802.1Q:
- загрузка сети потоками сообщений с различными VLAN ID позволяет контролировать правильность их доставки к портам подключения конечных устройств и отсутствие доставки «лишних» сообщений;
- формирование интенсивных потоков сообщений c различными приоритетами позволяет создавать очереди на обслуживание и оценивать наличие требуемого качества обслуживания;
- аппаратная фильтрация приема по совпадению или несовпадению VLAN ID и MAC-адресов может быть полезна при контроле передачи сообщений на магистральных портах;
- проверка времени восстановления сети по RSTP может быть выполнена путем измерения времени прекращения приема GOOSE-сообщений реального времени. Проверку можно дополнить имитацией всплесков сетевой активности с помощью формирования потока фоновых сообщений.

Анализатор также применим во многих нестандартных случаях, например при контроле большого количества сообщений в сети вида «общий котел». Анализ информации в этом случае упрощается за счет компактной формы представления результатов и средств фильтрации приема и отображения сообщений.

____________________________________________
* Международная некоммерческая организация, содействующая внедрению стандартов для приложений реального времени в различных отраслях промышленности.
** Компания-разработчик популярных программных компонентов в области автоматизации подстанции.


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(52)_2014

М. В. Широков, ведущий специалист,
ООО «Аналитик-ТС», Москва,
тел.: (495) 775‑6011,
e‑mail: info@analytic.ru,
www.analytic.ru