Die IEC 61850 nutzen: Effiziente, robuste Steuerung von Umspannwerken

Die Kommunikation zwischen Geräten ist in Versorgungssteuerungssystemen von entscheidender Bedeutung – selbst bei der einfachen seriellen Kommunikation zwischen Steuerungen und Geräten wie Relais und Transformatoren.

Da diese Systeme immer komplexer werden, werden standardisierte Kommunikationsansätze immer wichtiger, um Kompatibilität und Kommunikation zu gewährleisten.

Standardisierte Protokolle wie Modbus RTU und Modbus TCP organisieren zwar die Kommunikation, verbessern aber die Art und Weise, wie Daten verwaltet werden, nicht wesentlich. Die Identifizierung wichtiger Daten und der Umgang mit Systemproblemen blieben schwierig.

Dies änderte sich jedoch, als das DNP3-Protokoll im Jahr 1993 eingeführt wurde, um Versorgungsunternehmen bei der effizienten Klassifizierung und Verwaltung von Daten zu unterstützen, insbesondere in Umspannwerken.

Heute, mehr als drei Jahrzehnte später, liegt die Zukunft der Leistung moderner Umspannwerke jedoch in der IEC 61850, die darauf abzielt, die Datenkommunikation und -verarbeitung weiter zu verbessern.

Was ist die IEC 61850?

Die IEC 61850 ist eine internationale Norm für Kommunikationsnetzwerke und -systeme in der Energieversorgungsautomatisierung, die die Erzeugung, Übertragung und Verteilung von Energie umfasst.

Sie definiert ein Rahmenwerk aus Parametern, Funktionen und Merkmalen, die es Geräten verschiedener Hersteller ermöglichen, zusammenzuarbeiten, um eine effiziente Kommunikation zu gewährleisten.

Im Gegensatz zu anderen Kommunikationsprotokollen legt die IEC 61850 nicht nur den Kommunikationsprozess fest, sondern auch die Struktur, in der Daten in den beteiligten Geräten gespeichert und verwaltet werden müssen. Diese Geräte, die als intelligente elektronische Geräte (IEDs) bezeichnet werden, können redundante Steuergeräte wie RTUs (Remote Terminal Units) und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) ersetzen.

Das Informationsmodell der IEC 61850 ist in fünf Ebenen unterteilt:

1. Server-Ebene: Entspricht dem IED und stellt das tatsächlich kommunizierende Gerät dar, einschließlich aller seiner Informationseigenschaften.
   
   
2. Logische Geräteebene: Innerhalb der Serverebene stellt sie ein steuerbares Gerät oder eine steuerbare Funktion des IED dar, z. B. ein Relais in einer Schaltanlage.
   
   
3. Logische Knotenebene: Stellt eine Funktionseinheit des logischen Geräts dar, z. B. eine Messeinheit oder einen Leistungsschalter.
   
   
4. Datenobjektebene: Enthält Datenobjekte, bei denen es sich um Sammlungen zusammengehöriger Daten unterschiedlicher Typen, Größen oder Strukturen handelt.
   
   
5. Datenattributebene: Enthält tatsächliche Daten, die in den Datenattributen erfasst werden.

Dieser standardisierte Ansatz ermöglicht die Kommunikation zwischen den Assets, wodurch redundante Steuergeräte überflüssig werden und die Datenverarbeitung verbessert wird.

Zusätzliche Funktionen der IEC 61850:

• Erleichtert die Integration verschiedener Geräte in Steuerungsanwendungen, um die Sicherheit und Resilienz zu verbessern
  
  
• Unterstützt zeitkritische Steuerdaten, sodass kritische Informationen priorisiert und mit minimaler Latenz übertragen werden, um die Zuverlässigkeit und Stabilität des Stromversorgungssystems zu gewährleisten
  
  
• Bietet ein einheitliches Rahmenwerk, das die Interoperabilität verbessert, die Integrationskosten senkt und die Bereitstellung moderner Technologien vereinfacht

Durch die Einführung der IEC 61850 können Versorgungsunternehmen ihre Infrastruktur zukunftssicher machen und die betriebliche Effizienz verbessern.

Wie die IEC 61850 die Effizienz von Umspannwerken steigert

Die standardisierte Datenstruktur der IEC 61850 verbessert die Kommunikation und Koordination von Umspannwerken durch drei wichtige Nachrichtenfunktionen:

• Manufacturing Message Specification (MMS)
• Generic Object Oriented Substation Events (GOOSE)
• Reporting

MMS verwendet ein effizientes Binärprotokoll, um Geräten eine schnelle und effiziente Kommunikation zu ermöglichen. Die IEC 61850 unterteilt Daten in verschiedene Sicherheitsstufen, um die Datensicherheit und -verwaltung zu verbessern. So können beispielsweise reguläre Messdaten das weniger ressourcenintensive MMS verwenden, während sensible Kontrolldaten SecureMMS nutzen können.

GOOSE bietet Peer-to-Peer-Kommunikation in Echtzeit, sodass Steuergeräte voneinander abhängige Aufgaben ohne zentrale Steuereinheit ausführen können. Dies unterstützt kritische Funktionen wie Fehlerortung, Analyse und Schutzkoordination, um die Zuverlässigkeit und Effizienz von Umspannwerken zu steigern.

Reporting überträgt bestimmte Datenteilmengen an übergeordnete Systeme, wenn relevante Ereignisse (Fehler oder Störungen) auftreten. Dies reduziert den Verarbeitungsaufwand und die Netzwerkbelastung und stellt dadurch sicher, dass in entscheidenden Momenten nur die wesentlichen Informationen übermittelt werden.

Verbesserte Effizienz und Zuverlässigkeit für einen besseren Betrieb von Umspannwerken

Die IEC 61850 bietet Funktionen, die die Effizienz und Zuverlässigkeit des Betriebs und der Wartung von Umspannwerken erheblich verbessern.

Aus Gründen der Flexibilität und Zukunftssicherheit trennt das Abstract Communication Service Interface (ACSI) der IEC 61850 die Art und Weise, wie Geräte miteinander kommunizieren (Kommunikationsstapel), von der Art und Weise, wie sie gesteuert und verwaltet werden (Steuerungsmodell).

Dadurch sind Änderungen und Erweiterungen von Anwendungen möglich, ohne die Kommunikationsprotokolle zu beeinträchtigen. Skalierbarkeit und Anpassung an die Unterstützung moderner Technologien sind möglich, sodass Upgrades und Erweiterungen ohne größere Überholungen möglich sind.

IEC 61850 bietet außerdem eine robuste Diagnose und Überwachung, sodass Betreiber Probleme schnell beheben und Ausfallzeiten reduzieren können.

Das Sampled Values (SV)-Protokoll der Norm ermöglicht den schnellen Austausch digitalisierter Stromnetzmessungen wie Spannungs- und Stromproben zwischen Umspannwerksgeräten über ein Ethernet-Netzwerk. Dies reduziert den herkömmlichen Verdrahtungsbedarf, vereinfacht die Installation und verbessert die Messgenauigkeit und Synchronisation.

Schließlich ermöglicht die Substation Configuration Language (SCL) den Geräten, ihre eigenen Fähigkeiten und Konfigurationen zu beschreiben. Dies vereinfacht die Konfiguration, reduziert das Potenzial für menschliche Fehler und beschleunigt die Bereitstellung und Wartung.

Entwurf resilienter Steuerungsnetzwerke

Um IEDs bei der Bewältigung wichtiger Steuerungsaufgaben in Umspannwerken zu unterstützen, legt die IEC 61850 strenge Regeln fest, um ein starkes, zuverlässiges Netzwerk zu gewährleisten.

Die Geräte werden mithilfe des Precision Time Protocol (PTP) synchronisiert, das sicherstellt, dass die Daten aktuell und relevant sind. GOOSE ermöglicht einen nahtlosen, zeitnahen Informationsaustausch zwischen Geräten. Kritische Daten von Prozessgeräten, wie Transformatoren und Schaltanlagen, werden ständig als Echt- und Abtastwerte übertragen. Aufgrund der Bedeutung dieser Daten, insbesondere auf dem Prozessbus, der den Messverkehr überträgt, ist eine nahtlose Redundanz unerlässlich. Das System kann keine Frame-Verluste tolerieren.

Die IEC 61850 unterstützt robuste Steuerungsnetzwerke durch Funktionen wie das Parallel Redundancy Protocol (PRP) und High-Availability Seamless Redundancy (HSR). Eine verbesserte Fehlertoleranz wird durch PRP und HSR erreicht, die alternative Pfade für die Datenübertragung bieten, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen und schnelle Wiederherstellungsmechanismen zur Minimierung von Datenverlusten zu gewährleisten. Sie sorgen für eine stabile Kommunikation, auch bei einem Netzwerkausfall.

Diese beiden Protokolle sind in IEDs eingebettet, die als Dual Attached Nodes (DANs) fungieren. IEDs mit integrierten PRP- und HSR-Funktionen vereinfachen das Netzwerkdesign und erhöhen die Zuverlässigkeit, indem sie integrierte Redundanz ohne zusätzliche Hardware ermöglichen.

Parallel Redundancy Protocol (PRP)

• Redundanz: verwendet zwei unabhängige Netzwerkpfade (LAN A und LAN B).
  
  
• Gleichzeitige Übertragung: sendet doppelte Daten über beide Pfade.
  
  
• Keine Wiederherstellungszeit: gewährleistet einen unterbrechungsfreien Betrieb bei Netzwerkausfällen.
  
  
• Datenintegrität: verarbeitet das erste empfangene Paket und verwirft Duplikate.

High-Availability Seamless Redundancy (HSR)

• Ringtopologie: verbindet jedes IED in einem geschlossenen Regelkreis.
  
  
• Dual-Frame-Übertragung: sendet doppelte Frames in beide Richtungen um den Ring herum.
  
  
• Fehlerisolierung: schnelle Isolierung von Fehlern und Umleitung von Daten, um die Kommunikation aufrechtzuerhalten.
  
  
• Netzwerkintegrität: gewährleistet eine kontinuierliche, hochverfügbare Kommunikation für ausfallsichere Steuerungsnetzwerke.

Durch die Integration von PRP- und HSR-Funktionen stellt die IEC 61850 sicher, dass die Steuerungsnetzwerke von Umspannwerken äußerst robust sind und auch unter Fehlerbedingungen einen zuverlässigen, unterbrechungsfreien Betrieb aufrechterhalten können.

Ermöglichung zukünftiger Fortschritte bei der Versorgungsleistung

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Weiterführende Links:

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