Bánfalvy Zoltán, ABB Kft., MEE Vándorgyűlés, Budapest, 2012.09.06. Ethernet-hálózatok redundanciája IEC 61850 és IEC 62439
Tartalom Rövid összefoglaló az IEC 61850 és IEC 62439 szabványokról Elérhető megoldások A különféle redundáns kommunikációs megoldások összehasonlítása, előnyök és hátrányok Alkalmazási példák, tapasztalatok August 31, 2012 Slide 2
IEC 61850 A protokollról Az IEC 61850 egy szabványosított, ethernet-alapú alállomási kommunikációs protkoll, melyet a villamosipar meghatározó gyártói fejlesztettek ki abból a célból, hogy a a különféle gyártmányú védelmi-irányítástechnikai készülékek közti kommunikációt egységesítsék. A 2000-es évek második felétől kezdett elterjedni a gyakorlatban, napjaink meghatározó, megkerülhetetlen megoldása az alállomási kommunikáció területén. Az iparágat jelenleg a redundáns kommunikáció megoldása foglalkoztatja August 31, 2012 Slide 3
IEC 61850 Redundáns kommunikáció Az IEC 61850 szabvány első kiadása nem foglalkozott a redundancia kérdésével. Az IEC 61850 szabvánnyal foglalkozó munkabizottság felismerte, hogy az átjárhatóság megőrzésének érdekében a redundancia megoldását be kell emelni a szabványba. IEC 61850 második kiadása (IEC 61850 Edition 2) már tartalmazza a redundanciát az IEC61850-8-1 alállomási kommunikációs busz, mind pedig a folyamatirányítási busz (IEC 61850-8-2 Process bus) tekintetében. A redundancia az IEC 62439 szabványban definiált PRP/HSR megoldáson alapszik. August 31, 2012 Slide 4
IEC 61850 Edition 2 Redundáns megoldások áttekintése Redundancia az adatátviteli útban RSTP, IEEE 802.1D (n-1) kritérium Meghibásodás esetén helyreállítási idővel kell számolni A végpontok redundanciája PRP, IEC 62439-3 Parallel Redundancy Protocol HSR, IEC 62439-3 High-available Seamless Redundancy (n-1) kritérium Meghibásodás esetén 0 a helyreállítási idő. August 31, 2012 Slide 5
Redundancia, IEC61850-3 PRP/HSR IEC 62439-3 PRP HSR Parallel Redundancy Protocol High-availability Seamless Redundancy PRP/HSR az ABB Corporate Research szabadalma Az ABB a szabadalmat az IEC rendelkezésére bocsájtotta és szabadon felhasználhatóvá tette August 31, 2012 Slide 6
Jelenleg elterjedt topológia RSTP - Rapid Spanning Tree Protocol 1 A kommunikáció helyreáll, miután a meghibásodott szakasz (1) szerepét átveszi a tartalék összeköttetés (2) 2 August 31, 2012 Slide 7
Jelenleg elterjedt topológia Előnyök és hátrányok Minden topológiát támogat: fa, csillag, gyűrű, teljesen összekapcsolt (meshed) A hálózat önálló, az IED-ktől független Szabványos Ethernet építőelemek, speciális eszközök nem szükségesek hozzá Rugalmas sebesség (100MBit/s, 1GBit/s) és átviteli közeg A teljes sávszélesség kihasználható, nincsenek duplikált adatkeretek workstation1 back-up workstation2 A helyreállítási idő ~5ms/switch printer logger NCC Gateway NCC Gateway switch A1 switch A2 RSTP SAN SAN SAN SAN SAN SAN SAN SAN SAN Kettő, vagy több IED egyidejű meghibásodása nincs hatással a hálózat működésére Közepes költségek a switch-ek és a kábelezés terén August 31, 2012 Slide 8 Teljes átjárhatóság, bármilyen IEC61850 kommunikációt támogató készülék csatlakoztatható a hálózathoz.
Redundancia csillagtopológiában IEC 62439-3 PRP Parallel Redundancy Protocol Vevő Működési elv A redundáns kommunikációt támogató készülékek (DANP - Double Attached Node implementing PRP) két független hálózathoz csatlakoznak. Küldő Mindkét hálózaton keresztül ugyanazt az adatkeretet küldik. A vevő mindkét hálózaton keresztül megkapja az adatkeretet. Az elsőt feldolgozza, a másodikat eldobja. August 31, 2012 Slide 9
Redundancia csillagtopológiában IEC 62439-3 PRP Parallel Redundancy Protocol Felső rétegek alkalmazás küldő/ szállítási réteg címzett hálózati réteg applications publisher/ transport layer subscriber network layer Vezérlő küldés fogadás send receive Hálózati interfész A B A B Tx Rx Tx Rx Tx Rx Tx Rx csatlakozó LAN A LAN B A B Küldés mindkét hálózaton: az adatkereteket a LAN A és a LAN B hálózatra is elküldik. A két hálózaton az adatkeretek eltérő késleltetéssel érnek célba. Fogadás mindkét hálózatról: az adatkeretek a LAN A és a LAN B hálózatról is megérkeznek a címzetthez. A hálózati réteg és a hálózati interfész közé beépített vezérlő kezeli az adatáramlást és kiszűri a duplikált adatkereteket. A két irányt egyenlően kezeli. A PRP esetében a csomópontok mindkét hálózati interfészükön azonos IP címmel és fizikai címmel (MAC-address) rendelkeznek. August 31, 2012 Slide 10
Redundancia csillagtopológiában IEC 62439-3 PRP A dupla adatok kiszűrése: sorszám Szabványos Ethernet adatkeret preamble sequence destination source LLC payload size FCS counter line idő A szabványos Ethernet adatkereten felül mindegyik adatkeret tartalmaz egy sorszámot, egy sormutatót és egy méret mezőt. Ezek a plusz információk az adatkeret végén, a hasznos adatcsomag után helyezkednek el annak érdekében, hogy átlátszóak maradjanak a normál hálózati adatforgalom számára. A küldő mindkét adatcsomagot ugyanazzal a sorszámmal látja el. A sorszámot eggyel növeli, ha új adatcsomagot küld az adott vevőnek. A vevő nyilvántartja a keretek sorszámát és a forrás fizikai címét. Az ugyanazzal a sorszámmal és fizikai címről, de más hálózatról érkező kereteket eldobja Az adatforgalom alapján mindegyik csomópont elkészíti és nyilvántartja magának a többi hálózati csomópont listáját, ezáltal az egyes csomópontok, átviteli utak hibája kiszűrhető. August 31, 2012 Slide 11
Redundancia csillagtopológiában IEC 62439-3 PRP Előnyök és hátrányok Minden topológiát támogat: fa, csillag, gyűrű, teljesen összekapcsolt (meshed) A hálózat önálló, az IED-ktől független Szabványos Ethernet építőelemek, speciális eszközök nem szükségesek hozzá Rugalmas sebesség (100MBit/s, 1GBit/s) és átviteli közeg A teljes sávszélesség kihasználható, a duplikált adatkeretek külön hálózaton utaznak A helyreállítási idő 0ms Nincs adatvesztés Az IED-k meghibásodása nincs hatással a hálózat működésére Magas költségek a switch-ek és a kábelezés terén August 31, 2012 Slide 12 A redundáns kommunikációt nem támogató készülékek közvetlenül csatlakoztathatóak az egyik hálózatra, vagy egy RedBox közbeiktatásával mindkettőre.
Redundancia gyűrűtopológiában IEC 62439-3 HSR High-availability Seamless Redundancy Működési elv A redundáns kommunikációt támogató készülékek (DANH - Double Attached Node implementing HSR) két független hálózathoz csatlakoznak. Az adók mindkét irányba ugyanazt az adatkeretet küldik. ( A -keret és B - keret) A vevő mindkét portján keresztül megkapja az adatkeretet. Az elsőt feldolgozza, a másodikat eldobja. DANH csomópontok bridge funkciót is ellátnak a portjaik között, a hálózaton fogadott kereteket továbbküldik a másik portjukon Nem tévesztendő össze az RSTP-n alapuló, nem redundáns gyűrűvel August 31, 2012 Slide 13
Redundancia gyűrűtopológiában IEC 62439-3 HSR Előnyök és hátrányok Csak gyűrű topológia Az IED-k a hálózat szerves részét képezik Szabványos Ethernet építőelemek nem használhatóak, speciális eszközök szükségesek hozzá Fix hálózati sebesség (100MBit/s) A sávszélesség fele a teljesnek (dupla adatáramlás) A redundáns kommunikációt nem támogató készülékek közvetlenül NEM csatlakoztathatóak a hálózatra, csak egy RedBox közbeiktatásával. singly attached nodes end node end node A B A B A B switch interlink RedBox B A B A B A B A B A end node end node end node end node end node Kettő, vagy több IED egyidejű meghibásodása megbénítja a hálózatot A helyreállítási idő 0ms Nincs adatvesztés Alacsony költségek (nincsenek switch-ek, kevés kábelezést igényel) August 31, 2012 Slide 14
Hurkolt Ethernet hálózatok és az RSTP Az utóbbi években az iparágban terjedőben vannak az RSTP-topológián alapuló, ún. hurkolt Ethernet hálózatok. Ez egy költséghatékony megoldás, mely csupán a készülékek közti összeköttetés redundanciáját biztosítja, meghibásodás esetén adatvesztés lép fel és a helyreállítási idő is 100ms nagyságrendű. (kb. 20db készülék esetén) Ha a hálózatot reteszelés, engedélyezések, tiltások, kioldási parancsok átvitelére is használják, akkor maximum 4ms-os kiesés engedhető meg. (Type 1A, Class P1) August 31, 2012 Slide 15
Redundáns IEC61850 hálózatok A különféle megoldások összehasonlítása IEC 61850 Architektúra Teljesítmény Megoldás 8-1 9-2 Redundáns hálózat 1 portos IED Adatvesztés Helyreállítási idő Hálózat Késleltetés PRP IEC 62439-3 Igen Igen Igen Igen Nincs 0 ms Teljes sávszél., rugalmas sebesség Nincs HSR IEC 62439-3 Igen Igen Nem Nem, RedBox szükséges Nincs 0 ms Fél sávszél., Fix sebesség, 100Mbps Késleltetés minden IEDnél RSTP Igen Nem Nem Igen Van átlagosan 100ms (gyűrű 20 csomópont) Teljes sávszél., rugalmas sebesség Nincs August 31, 2012 Slide 16
Experience CIGRE Session Paris 2010, PRP/HSR Demonstration August 31, 2012 Slide 17
Tapasztalatok a PRP-vel Sikeres hosszú távú teszt / pilot project Folyamatos hosszú távú intenzív tesztelés az ABB Svájci tesztközpontjában Több, mint egy éve üzemben van Minden stabilitási és nyúzópróbát kiállt A PRP egy kompromisszumok nélküli, kipróbált, megbízható megoldás Minimális konfigurációs többletmunkát igényel, mert a redundanciát a hardver szintjén kezeli August 31, 2012 Slide 18
Redundancia Összefoglalás Az IEC-61850-8-1 Ed2 és IEC-61850-9-2 Ed2 szabványok már megjelentek, de az IEC61850-10 szabvány fogja majd tartalmazni a megfelelőségi vizsgálatokra vonatkozó irányelveket. Célszerű megvárni ennek a szabványnak a megjelenését! Az egy porttal rendelkező készülékeket ugyanarra a hálózatra kell csatlakoztatni. Az IEC62439-3 PRP alkalmazása javasolt, ha redundáns alállomási hálózatra van szükség. August 31, 2012 Slide 19