ВОЛС против ВЧ: примирение...

По сравнению с 2000 годом в 2008 году мало что изменилось: по прежнему самым экономически эффективным способом внедрения волоконно-оптических технологий в энергетике можно считать "засветку" темных волокон, полученных от Телекома в качестве оплаты за прокладку ВОЛС по, находящимся в зоне ответственности энергосистемы, опорам линий электропередачи.

В общем случае, поскольку Телеком решает свои задачи, на территории энергосистемы могут находиться как полные ВОЛС кольца (самая популярная технология оптического резервирования), так и их сегменты, в частном случае энергорайон может пересекать транзитная ВОЛС-ВЛ (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Общий случай распределения ВОЛС и ВЧ каналов на территории энергосистемы

Для включения в общее информационное пространство остальных объектов энергосистемы, необходимо либо выполнить прокладку ВОЛС-ВЛ ОКСН своими силами (при длине ВЛ 10-30 км), либо реконструировать существующую систему ВЧ связи, с использованием цифровых сетевых технологий.

К сожалению, в России об этих технологиях мало кто знает. Попробуем в существующем ограниченном формате рассказать о некоторых из них.

Многое зависит от принципов построения ЦВЧ аппаратуры (ЦВЧА). До сих пор нет устоявшегося мнения, что должно входить в состав ЦВЧА: сигнал-конвертеры, мультиплексоры, сетевые устройства, преобразователи интерфейсов, вокодеры (преобразователи речевой информации для ее передачи по цифровым сетям), другие устройства?
Предположим ЦВЧА имеет в своем составе только сигнал-конвертер (формирователь "цифровой трубы"). В этом случае для того, чтобы объединить станционные Ethernet сети, с каждой стороны ВЧ канала необходимо установить роутеры (см. Рисунок 2)

Рисунок 2. Объединение сетей с помощью ЦВЧА и внешнего роутера, отслеживающего изменение скорости в ЦВЧ канале.

Роутеры начинают работать со скоростей передачи 9.6 кБ/с. Чем больше ступеней адаптации имеет сигнал-конвертер, тем эффективней оказывается использование возможностей ВЧ тракта, в зависимости от климатических или режимных состояний ВЛ.

Если ЦВЧА имеет в своем составе сетевое устройство, например, роутер, то в этом случае для объединения станционных сетей внешние устройства не нужны (см. Рисунок 3)

Рисунок 3. Объединение сетей с помощью ЦВЧА с встроенным роутером, отслеживающим изменение скорости в ЦВЧ канале, в зависимости от погодных и режимных условий работы ВЛ.

Встроенные в ЦВЧА сетевые устройства позволяют ЦВЧ каналам выполнять не только утилитарную задачу по объединению станционных сетей (роутер), но и создавать "ребра жесткости" в ВОЛС Ethernet сети энергорайона. В этом случае ЦВЧА должно иметь в своем составе шлюз и использовать внешний WAN роутер. Пример сетевой конфигурации с участием ЦВЧА показан на Рисунке 4.

Рисунок 4. Два основных сетевых применения ЦВЧ: объединение LAN-LAN и резервирование WAN

Основные сетевые режимы ЦВЧА:

• IP роутер (layer 3) со статической конфигурацией IP адреса и маски подсети, или режимом Forward all; и сжатием TCP/IP заголовка (механизмы PPP, RFC 1144 с коэффициентом 40 -> 3-4 байт и FT 1.2/3);
• шлюз (layer 2);
• PoE исключено.

Встроенная в ЦВЧА сетевая функциональность позволяет реализовать АСУ ТП нового уровня (для ВЧ связи): с использованием протокола IEC60850-5-104.

Рисунок 5. ЦВЧА может строить IEC60850-5-104 сети АСУ ТП, объединяя несколько локальных станционных сетей энергорайона.

Естественно, в эту функциональность должен входить мониторинг самой ЦВЧ сети с использованием SNMP (MIB, ASN.1) и/или встроенного ЕОС-служебного канала. Минимальное требование к такой системе мониторинга:

• через заданный промежуток времени в центр сбора информации должна поступать аварийная или о пусках/выводах информация со всех или предварительно выбранных ЦВЧ терминалов (последовательный опрос ЦВЧА);
• в некоторых случаях должна включаться спонтанная генерация аварийных сообщений любым ЦВЧ терминалом в сети, и рассылка ее по нескольким, заранее выбранным, адресам центров сбора информации.

Каждый подключенный к станционной сети Ethernet, ЦВЧ терминал должен быть дистанционно опрошен или сконфигурирован (паспортизация доступа, ограничения конфигурации) с помощью прилагаемой к аппаратуре программы управления, или другими, принятыми на объекте эксплуатации, способами.

Формально, доступ к ЦВЧА должен обеспечиваться из любой точки энергосистемы.

Однако ограниченное изменение конфигурации ЦВЧА должно осуществляться только при знании DES пароля (или пароля аналогичной системы шифрования). Дополнительно для ограничения доступа к ЦВЧА должна включаться статическая аутенфикация пользователя по IP адресу и маске подсети.

Из уже эксплуатируемых в России систем ВЧ связи аналогичную функциональность имеет аппаратура ЕТЛ500. В которой для мониторинга сети используется встроенный ЕОС-служебный канал, а для создания Ethernet или любой другой сети наблюдения требуются внешние преобразователи.
Если в энергорайоне терминалы ЕТЛ500 уже установлены, то вновь создаваемая сеть наблюдения должна включать их в свой состав (до 64 ЕТЛ500 доступных только по ЕОС встроенному служебному каналу) непосредственно или через программные шлюзы.

Полная схема сети управления может выглядеть так

Рисунок 6. Возможности создания сети управления, мониторинга и конфигурации терминалов ВЧ связи ЕТЛ500 / ЦВЧА.

Для смешанной ВОЛС-ВЧ сети передачи данных энергосистемы наиболее актуально выглядят ЦВЧА решения транспортного уровня, первичной и вторичной коммутации/мультиплексирования.
Определяющим здесь, безусловно, является то, какой транспорт используется в цифровой сети.
Если речь идет о "классических" мультиплексорах, использующих V.11/X.21 или G.703.1 каналы, то

Рисунок 7. V.11/X.21 (G.703.1) ЦВЧА канал и транзит на промежуточной ПС

необходимо помнить следующее: каждый пролет (участок сети между двумя мультиплексорами) должен иметь строго определенную - фиксированную - скорость передачи.
Это значит, что если пролет состоит из нескольких хопов (последовательно расположенных ЦВЧ каналов), необходимо выполнить независимое проектирование каждого ЦВЧ канала во всех климатических и режимных условиях работы ВЛ, определить для каждого из них максимальные и минимальные скорости передачи с наперед заданной надежностью / готовностью доставки данных, и в качестве скорости пролета установить минимальную из всех полученных скоростей передачи. Причем эта скорость должна быть фиксированной.

Поскольку сеть ВЛ достаточно разнородна в смысле условий создания на ней каналов ВЧ связи (напряжения, длины, отпайки, конфигурации опор, уровни шумов и т.д.), очевидно, что некоторые из ЦВЧ каналов в сети или в пролете будут недогружены, то есть будут работать на скорости передачи меньше возможной. Как следствие, частотные ресурсы сети будут расходоваться впустую.
Однако, полагая, что скорость передачи ЦВЧ канала есть функция полосы модуляции и отношения сигнал-шум (ОСШ) V ~ F(BW, SNR), при проектировании ЦВЧ можно перейти от принципа выбора максимально возможной частоты канала при требуемом ОСШ (классический метод проектирования: мощность - затухание - запас - шумы), к более гибкой и вариативной методике проектирования: выбору частоты канала при заданном ОСШ в определенной полосе модуляции.
Практически это означает, что одну и ту же скорость передачи ЦВЧ канала можно реализовать при различных комбинациях тройки F1*BW1*SNR1, F2*BW2*SNR2, F3*BW3*SNR3 и т.д.
При недогрузке канала в сети или пролете можно либо повысить его частоту (искусственно сделать его "хуже", что достаточно деструктивно), либо уменьшить его полосу модуляции, например, вместо используемых во всей сети 12кГц на данном участке использовать только 8кГц или даже 4кГц.
Возможно решение и обратной задачи. Если при используемой в ЦВЧ сети полосе модуляции, например 8кГц, несколько каналов не могут обеспечить требуемой скорости передачи, то для них можно использовать расширенные полосы модуляции (12 ... 32 кГц).

Чтобы закончить с "классическими" ЦВЧ каналами, напомню:
даже в голову не берите, что по ним можно организовать каналы ДФЗ или ДЗЛ.

Да, в ЦВЧ сейчас можно получить достаточно высокие скорости передачи, в которые "влезут" и 4 и 10 каналов защит. Но!!!
Стандартные методики проектирования ВЧ каналов связи подразумевают реализацию коэффициента готовности Кг=0.95. При обычном подходе, с учетом специфики цифровых методов модуляции, ЦВЧ канал не будет иметь Кг выше 0,82 ... 0,95.
Рассчеты показывают, что при соблюдении некоторых правил проектирования ЦВЧ, можно реализовать Кг=0,95 ... 0,975 (выше, чем обычные ВЧ каналы ТМ).
Однако Кг=0.99 получить практически невозможно. И это без учета коммутационных состояний ВЛ! Для сравнения, традиционный канал передачи сигналов команд РЗ и ПА, реализованный на аппаратуре ЕТЛ500, имеет Кг=0,99995 ... 0,999995.
Одного этого достаточно, чтобы забыть об этой идее навсегда...

Более современные транспортные и коммутационные решения основаны на использовании SDH, может быть FE/GE/MPLS, технологий, на уровне телекома значительно превосходящих ЦВЧ в скорости передачи. Тем не менее, приминительно к энергетике ЦВЧ технология может существенно повлиять на стоимость создания транспортной сети.

На Рисунок 1 показано что, после прокладки Телекомом своих волокон, большое число энергообъектов осталось за пределами транспортной сети. Соответственно встает вопрос, как включить их в состав сети?
Здесь задача распадается на два подкласса:

1. создаваемая сеть решает проблемы административно-хозяйственного управления энергорайона (по-сути аналог телекома);
2. новостройка решает все задачи управления, существенную часть которых составляет диспетчесрско-технологическое управление.

В первом случае в зависимости от географических, климатических и техногенных особенностей региона, а так же финансовых возможностей энергоузла для "замыкания" сети могут использоваться радио, оптические, кабельные или ВЧ технологии (некоторые их особенности описаны в статьях Среды и технологии и Технологии, методы и протоколы). ЦВЧ каналы могут использоваться для доступа к небольшим объектам, траффик которых ограничен величинами 128-256 кБит/с. Преимущество ЦВЧА перед другими технологиями доступа состоит в том, что по самому принципу построения ЦВЧ каналы являются каналами "all included": речь, данные, ТМ, Ethernet без дополнительных устройств и систем. Провели ЦВЧ, в соответствующие гнезда воткнули телефон, компьютер, охранную систему, или что там у Вас еще, и работаем, работаем...

Во втором случае, по крайней мере для части сетевого траффика, основным критерием функциональности выступает надежность и безопасность доставки информации. Что для средних российских географико-климатических условий сужает ряд пригодных к использованию технологий до кабельных и ВЧ.
При небольших расстояниях до энергообъектов 10-20-30 км, если позволяют средства, лучше использовать ВОЛС-ВЛ ОКСН технологию (надеюсь, что я не ошибаюсь). Во всех остальных случаях альтернативы ЦВЧ связи просто нет.
Всего можно выделить четыре стандартные ситуации:

1. доступ к удаленному объекту
2. резервирование оптического канала
3. замыкание оптического полукольца
4. создание дополнительного полукольца

Первый и второй случаи с точки зрения реализации практически не различаются, и показаны на Рисунке 8.

Рисунок 8. ЦВЧ вынос или резерв оптического кольца

Единственной особенностью случая резервирования оптического канала является реализация дублирования основных защит. На мой взгляд, самая удачная схема выглядит так

Рисунок 9. Принцип резервирования основной защиты в смешанных оптических и ВЧ каналах/сетях.

Каналы передачи команд РЗА должны резервироваться по аналогичной схеме.

Замыкание оптического полукольца выглядит похожим на схему резервирования: часть сетевого траффика перенаправляется мультиплексором в ЦВЧ канал.
Создание много-кольцевой сети требует использования внешних роутеров. Остальное понятно из приведенного рисунка.

И последнее, что хотелось бы сказать про ЦВЧ каналы-сети. Несмотря на то, что мы были первыми кто внедрил в отрасли цифровые речевые каналы (1998 год), и все эти годы их поддерживаем, наше отношение к ним не изменилось: они должны использоваться только как служебные, без включения в общую номерную емкость энергорайона.
Если, конечно, Вас не устраивает качество спутниковой или транкинговой телефонии при поднятии трубки диспетчерского или домашнего телефона.

Если устраивает, то, если кто-нибудь проявит интерес, я могу рассказать об еще одной фенечке, которую можно реализовать в ЦВЧА. Вернее не так: в АВЧ, которая может вместо одного речевого канала передавать два - аналоговый и аналогово-цифровой в полосе 4 кГц. Оставляя далеко позади ЦВЧ по эффективности использования спектра частот, надежности и качеству телефонии.
Поясняю (коротенько):

В каждом ВЧ канале используется модуль O4LE, который одновременно создает два ТФ подканала:

• основной (имеющий высший приоритет) используется для диспетчерской телефонии,
• второй (сервисный, имеющий низший приоритет) используется для создания соединений типа «горячий телефон» (FXS/FXO) для нужд эксплуатации или административно-хозяйственных нужд.

Логика работы подканалов такая же, как и при передаче сигналов команд РЗА с приоритетом. Диспетчер может в любой момент времени (мгновенно) прервать идущий по сервисному каналу разговор. После окончания диспетчерских переговоров сервисный канал (если он все еще занят) восстанавливается. При идущих диспетчерских переговорах работа сервисного канала блокируется, соединение установить невозможно.

По-требованию сервисный, да и основной, ТФ канал может быть оснащен функцией его трансляции через локальную Ethernet сеть ПС / узла / региона (IP-телефонии). Таким образом, ТФ аппараты такого «горячего/прямого» соединения могут быть расположены в любом месте энергосистемы. При передаче через Ethernet уровни приоритетов, определяемые ETL, сохраняются.

Таким образом, реально 2-х канальная ETL ВЧ система создает не 2, а 4 (четыре) ТФ канала: два основных, и два низкоприоритетных.