Чем дальше в будущее мы заглядываем, тем менее предметно приходится говорить — слишком много вариантов, слишком много но. Если же посмотреть в самую ближайшую перспективу, то мы увидим вполне отчетливо, что день завтрашний уже готов стать сегодняшним. То, что сегодня находится в разработке — завтра будет повсеместно применяться.
Введение
В связи с активной цифровизацией электроэнергетического сектора появляется потребность в создании специализированных устройств для наладки, обслуживания и диагностики оборудования цифровой подстанции (ЦПС). Необходимость разработки таких средств обусловлена внедрением сетевых технологий и протоколов цифровой передачи данных в соответствии со стандартом МЭК 61850 [1].
На кафедре релейной защиты и автоматизации энергосистем «НИУ «МЭИ» разрабатывается мобильный, кроссплатформенный сетевой сканер информационных потоков с поддержкой протоколов стандарта МЭК 61850. В настоящее время, в качестве сканера на объектах используются дорогостоящие, стационарные АРМ/ПТК с установленным программным обеспечением (ПО) для сканирования сети. Используемое ПО является иностранным и обладает избыточным функционалом для инженера-наладчика и специалиста службы РЗ, что значительно затрудняет процесс наладки и обслуживания ЦПС. В связи с этим интерфейс разрабатываемого мобильного сканера сети проектируется в соответствии с концепцией «user-friendly».
Ближайшими аналогами мобильного сканера сети являются тестер-анализатор для ЦПС PNS360 и программное обеспечение от НПП «Динамика» для анализа цифровых потоков. PNS360 относится к иностранному оборудованию, поэтому использовать его на объектах электроэнергетики не допускается. Также проблемой является стоимость данного устройства — 25 тысяч долларов, что не позволяет рассматривать данное устройство как вариант для повсеместного внедрения. Российский аналог обладает тем же функционалом, что и сканер, однако для его использования необходим компьютер. На подстанции, как на режимном объекте, запрещено использование своих компьютеров, соответственно, необходимо длительное согласование с ФСТЭК и службой безопасности организации о разрешении на установку данного ПО. Для использования данного ПО необходим АРМ персонала — компьютер. Ethernet-порт компьютера обладает возможностью двустороннего обмена, соответственно, имеется возможность отправки с компьютера в локальную вычислительную сеть подстанции пакетов, не относящихся к измерениям.
Разрабатываемый сканер (см. рис. 1) позволит анализировать трафик в различных структурных участках ЦПС и выводить необходимую информацию в удобном для восприятия и безопасном формате [2]. Вывод информации осуществляется с помощью интерфейсов Ethernet и Wi-Fi.
Разработка сканера
Функции мобильного сканера
Для разработки мобильного, кроссплатформенного сетевого сканера информационных потоков с поддержкой протоколов стандарта МЭК 61850 был разработан алгоритм сжатия информационных потоков, так как в настоящее время требуются высокие производительные мощности для сканирования и анализа цифровых потоков. Предложенный алгоритм сжатия имеет широкую область применения: как для сканера информационных потоков, так и для применения в терминалах РЗ.
Мобильный сканер обеспечивает мониторинг и анализ поведения оборудования ЦПС с поддержкой: МЭК 61850-9.2LE (SV), МЭК 61850-8.1 (GOOSE). Часто при работе сети необходимо понимать, насколько загружена сеть, поэтому сканер также обладает этой функцией, что, безусловно, снижает аварийность. Также мобильный сканер позволяет производить анализ ошибок SV и GOOSE, то есть дает понимание, все ли пакеты приходят к месту назначения. Важным преимуществом является возможность мониторинга и просмотр структуры SV-потоков и GOOSE-сообщений, а также демонстрация векторных диаграмм и осциллограмм (рис. 2).
Реализованные функции позволяют ускорить процесс наладки сетевого оборудования, улучшают качество технического контроля работоспособности ЛВС, снижают аварийность вследствие упрощения анализа ЛВС. Ввиду того, что для анализа достаточно телефона или планшета, а также благодаря интуитивно понятному русифицированному интерфейсу (рис. 3), не требуется прохождение курсов повышения квалификации для обслуживающего персонала.
Выбор платформы для реализации мобильного сканера сети
Для реализации функционала сканера сети был проведен анализ платформ. По итогам анализа был выбран компьютер Raspberry Pi 4 Model B, обладающий следующими характеристиками:
- центральный процессор: 4-ядерный 64-битный CPU на ARM Cortex A72 с тактовой частотой 1,5 ГГц;
- графический сопроцессор VideoCore VI®;
- память на 1/2/4/8 ГБ LPDDR4 SDRAM;
- Gigabit EthernetUSB3.02 x micro-HDMI;
- 2,4 ГГц и 5 ГГц IEEE 802.11.b/g/n/ac WI-FI + Bluetooth 5.0 Low Energy (BLE).
Использование языков программирования для реализации функционала
Программная часть мобильного сканера сети реализована с помощью языка программирования С++, с помощью которого происходит предобработка пакетов, и языка Python, с помощью которого реализуется постобработка пакетов и интерфейс вывода информации с мобильного сканера сети.
Для удобства пользования информация с мо-бильного сканера выводится на любое устройство с поддержкой Wi-Fi. Мобильный сканер при работе создает собственную локальную сеть, куда и выводится информация сканирования.
Испытание работы мобильного сканера сети
При выполнении вышеописанных задач была выявлена проблема: недостаточная производительность на используемом устройстве при сканировании более шести SV-потоков с частотой дискретизации 4 кГц.
Для решения вышеописанной проблемы были внесены программные изменения:
- разработан алгоритм предобработки пакетов на языке С++ для уменьшения требуемого количества операции на Python;
- выполнен переход к низкоуровневому механизму взаимодействия — использование протокола Shared Memory.
Использование библиотеки DPDK
Для решения задач быстродействия при разработке сканера используется фреймворк DPDK под управлением Linux. Суть данного фреймворка заключается в том, что при обработке пакетов ядро не задействовано вообще: взаимодействие с сетевой картой осуществляется через специализированные драйверы и библиотеки. DPDK позволяет исключить ядро системы из данной цепочки и предоставляет доступ приложению напрямую к сетевой карте [3].
Фреймворк позволяет добиться от мобильного сканера сети значительного повышения производительности и ускорения обработки пакетов.
Результаты программной оптимизации
Используя разработки, описанные выше, удалось добиться следующих показателей: предельное количество SV-потоков с частотой 4 кГц в режиме Real time (далее RT) — 25 (рис. 4). При увеличении числа обрабатываемых потоков после определенного значения происходит потеря данных. Значение, после которого происходит потеря точек, и называется предельным количеством обрабатываемых потоков.
Заключение
Разработка мобильного сетевого сканера информационных потоков с поддержкой стандарта МЭК 61850 для наладки и обслуживания ЦПС является актуальной задачей, учитывая активную цифровизацию электроэнергетического сектора и импортозамещение в этой сфере.
Разработанное устройство будет обладать следующими функциями:
- прием цифровых потоков от любых устройств на шине станции и на шине процесса;
- анализ загруженности локальной вычислительной сети цифровой подстанции;
- мониторинг и запись информационных потоков в формат pcap для последующего анализа записи;
- осциллографирование битов качества SV-потоков;
- запись журнала ошибок.
В ходе работ были выполнены следующие задачи:
- разработана программная часть, выполняющая сканирование информационных потоков;
- усовершенствован алгоритм обработки информационных потоков с использованием библиотеки DPDK из-за низкой производительности процессора;
- подобраны оптимальные параметры взаимодействия сервисов сканера для достижения наилучшей производительности.
Разработанный мобильный сканер сети позволит производить осознанный анализ локальной сети и наладку. В свою очередь понимание состояния локальной сети позволит повысить надежность электроснабжения потребителей за счет снижения аварийности, связанной с ошибками в сетевой части. Планируемая коммерческая стоимость разрабатываемого сканера в 4 раза меньше ближайшего зарубежного аналога, что также способствует цифровизации энергетики.
