Standard IEC 61850: Ethernet in rauen Umgebungen

Die Automatisierung der Energieversorgung stellt erhöhte Anforderungen an die Kommunikationsinfrastrukturen der Energieunternehmen. Der internationale Standard IEC 61850 definiert hierfür die Grundlagen der Kommunikationsarchitektur.

Im Zeitalter der intelligenten Stromnetze (Smart-Grids) treten die Grenzen der Datenkommunikation über serielle Verbindungen zwischen so genannten Intelligent-Electronic-Devices (IEDs) und der Netzleittechnik (Supervisory-Control and Data-Acquisition, kurz SCADA) immer deutlicher zu Tage. Aus diesem Grund stellen die Energieunternehmen zunehmend ihre Kommunikatonsinfrastrukturen auf moderne Ethernet-Lösungen um. Die im IEC-61850-Standard festgelegte Kommunikationsarchitektur legt die Grundlage für die Modernisierung der Smart-Grids und wurde inzwischen weltweit von Stromerzeugern als auch von Herstellern der IEDs übernommen.

Der IEC 61850 beschreibt ein allgemeines Übertragungsprotokoll für die Schutz- und Leittechnik in elektrischen Schaltanlagen der Mittel- und Hochspannungstechnik (Stationsautomatisierung). Der Standard definiert:

  • allgemeine Festlegungen für Schaltanlagen,
  • die wichtigsten Informationen für Funktionen und Geräte,
  • den Informationsaustausch für Schutz, Überwachung, Steuerung und Messung,
  • eine digitale Schnittstelle für Primärdaten und
  • eine einheitliche Konfigurationssprache.

Das Protokoll verwendet TCP/IP als Basisübertragungsprotokoll und die Manufacturing-Messaging-Specification (MMS) definiert die klassische Client-Server-Kommunikation (IEC 61850-8-1). Zusätzlich werden im Standard zwei Peer-to-Peer-Dienste für die echtzeitfähige Kommunikation beschrieben:

  • Übertragung schneller Abtastwerte (IEC 61850-9-1) und
  • Übertragung von GOOSE-Nachrichten (IEC 61850-8-1).

Beide Mechanismen setzen direkt auf dem Ethernet-Protokoll auf. Das IEC-61850-Datenmodell ist strikt objektorientiert. Als Identifikation dient der Name des Objekts im Klartext. Die Objekte sind selbstbeschreibend, die Struktur der Objekte wird mit dem Objekt selbst im Telegramm übertragen. Innerhalb der Norm werden alle Bedürfnisse der Stationsautomatisierung erfüllt. Das betrifft die Kommunikationsstrukturen wie auch das streng objektbezogene Datenmodell.

GOOSE (Generic-Object-Oriented-Substation-Events) beschreibt ein echtzeitfähiges Netzwerkprotokoll zur Steuerung von Geräten über Ethernet-Netze. GOOSE versendet Nachrichten über den Zustand von einem Gerät regelmäßig in einem festen Intervall. Zustandswechsel werden zur Fehlerkorrektur in einem Wiederholungs-Code kodiert. Die GOOSE-Nachrichten werden per Multicast übermittelt. Aus diesem Grund können gleichzeitig mehrere Empfänger über den Zustand von einem Sender informiert werden.

Da GOOSE-Informationen direkt auf dem Ethernet aufsetzen, lassen sich die Datagramme bei der Übermittlung über das Netzwerk priorisieren und werden gegenüber anderen IP-Paketen in den Übertragungselementen (Switches, Router) bevorzugt behandelt. Dies hat den Effekt, dass Verzögerungen im Netzwerk möglichst gering gehalten werden und der Empfänger die GOOSE-Nachrichten unter Einhaltung eines Zeitfensters erreichen. Diese Protokoll-Struktur erlaubt die Echtzeitfähigkeit von GOOSE. Durch die Definition von virtuellen Netzwerken (VLANs) lassen sich GOOSE-Datagramme auf bestimmte Netzsegmente beschränken.

Der Ersatz der traditionell verkabelten Ein- /Ausgabesysteme durch ein IEC-61850-konformes Ethernet resultiert in einem geringeren Planungsaufwand und niedrigeren Installationskosten. Da den Aspekten »Robustheit in rauen Umgebungen, Glasfasertechnik, Netzwerktopologie, Redundanz, GOOSE-Performance, sowie Bedienung und Wartung« ein erhöhter Stellenwert zukommt, müssen diese unbedingt beim Netzdesign von Stationsautomatisierungssystemen beachtet werden.