IEC 61850 i koblingsanlæg – netværk, tidssynk og computere

Hvad er IEC 61850?

IEC 61850 er en standardserie for kommunikation i elnettets automation. Den blev udviklet til koblingsanlæg, men bruges i dag også i vindkraft, vandkraft og solcelleparker. Tanken er, at beskyttelsesrelæer, styreudstyr og målere fra forskellige producenter skal kunne tale sammen uden specialtilpasninger.

Hver enhed, en IED (Intelligent Electronic Device), beskrives med en standardiseret datamodel. En afbryder hedder for eksempel XCBR og en overstrømsbeskyttelse PTOC, uanset producent. Hele stationen konfigureres med filer i sproget SCL (IEC 61850-6). Det gør det muligt at udskifte eller tilføje udstyr uden at starte forfra.

Stationsbus, procesbus og protokollerne

Et koblingsanlæg efter IEC 61850 er inddelt i tre niveauer. Stationsbussen forbinder stationscomputere og gateways med beskyttelse og styring i hvert felt. Procesbussen forbinder felterne med udstyret i koblingsanlægget, hvor merging units omsætter strøm og spænding fra måletransformerne til digitale værdier.

GOOSE og Sampled Values sendes som multicast direkte på Ethernet. Sampled Values sendes med tusindvis af meddelelser i sekundet fra hver merging unit. Switchene skal derfor kunne prioritere trafik og filtrere multicast med VLAN, ellers kan måleværdierne oversvømme netværket.

Krav til switche: IEC 61850-3 og IEEE 1613

I et koblingsanlæg udsættes elektronikken for kraftige elektromagnetiske felter, når afbrydere og adskillere manøvreres, for overspændinger og for store temperaturforskelle. En almindelig industriswitch er sjældent nok.

IEC 61850-3 stiller generelle krav til udstyr i koblingsanlæg: klima, mekanik, produktsikkerhed og EMC i tråd med IEC 61000-6-5 og IEC 60255. Den nordamerikanske standard IEEE 1613 har to klasser. I klasse 1 må kommunikationen forstyrres under EMC-prøverne, hvis den genopretter sig. I klasse 2 må den hverken afbrydes eller få fejl. IEEE 1613 tillader ikke ventilatorer.

• Ventilatorløs konstruktion og bredt temperaturområde.
• Redundant forsyning, ofte fra stationsbatteriet.
• Understøttelse af PRP eller HSR og PTP i hardware.
• VLAN, prioritering og multicastfiltrering til GOOSE og Sampled Values.
• Fiberporte til lange afstande og galvanisk adskillelse.

Redundans og tidssynkronisering: PRP, HSR og PTP

Almindelige redundansprotokoller som RSTP skal bruge tid på at finde en ny vej, når et link svigter. Til beskyttelse og Sampled Values er det for langsomt. IEC 62439-3 beskriver to protokoller uden omskiftningstid. Med PRP tilsluttes hver enhed to helt uafhængige netværk og sender hver ramme på begge. Modtageren bruger den første og kasserer dubletten. Med HSR sidder enhederne i en ring og sender rammen i begge retninger. Enheder med kun én port tilsluttes via en RedBox.

Sampled Values og hændelseslogge kræver fælles tid med høj nøjagtighed. IEC/IEEE 61850-9-3 er en profil af PTP (IEEE 1588) til elnet. Målet er bedre end 1 µs efter op til 15 switche, hvilket kræver, at switchene håndterer PTP i hardware. Tiden kommer fra et grandmaster-ur med GNSS-modtager. Vælg et ur, der holder tiden ved GNSS-udfald og modstår jamming og spoofing af satellitsignalet.

Computere og cybersikkerhed i koblingsanlægget

I stationen findes der ofte en stationscomputer med operatørbillede, en gateway til netselskabets SCADA og en computer til konfiguration. Skal computeren stå i selve koblingsanlægget, så spørg efter afprøvning efter IEC 61850-3 eller IEEE 1613, redundant DC-forsyning og netværkskort med PRP. I et separat kontrolrum er en industriel rack-PC ofte nok.

Et digitalt koblingsanlæg er også et mål for angreb. IEC 62351 beskriver sikkerhed for protokollerne: del 3 og 4 for TLS og MMS, del 6 for GOOSE og Sampled Values, del 8 for rollebaseret adgangsstyring og del 9 for nøglehåndtering. IEC 62443 giver rammen for zoner, conduits og sikkerhedsniveauer. I praksis starter det med segmentering, en firewall mod omverdenen og sikker fjernadgang. NIS2-direktivet stiller desuden krav til cybersikkerhed hos elnetselskaber.

Hvor bruges IEC 61850?

• Transmission og distribution – nye og moderniserede koblingsanlæg og fordelingsstationer.
• Vedvarende energi – parkstationer i vind- og solcelleparker og batterilagre.
• Vandkraft – stations- og aggregatstyring.
• Industri og infrastruktur – egne mellemspændingsnet i procesindustri, miner og datacentre.
• Jernbane – omformer- og fødestationer til kørestrømsforsyning.

Fem faldgruber

1. Almindelige switche i koblingsanlægget. Uden afprøvning efter IEC 61850-3 eller IEEE 1613 kan kommunikationen blive forstyrret netop i det øjeblik, en afbryder kobler ud.
2. Multicast uden filtrering. Sampled Values når alle porte og fylder netværket. Planlæg VLAN før idriftsættelse.
3. Tidssynkronisering som eftertanke. Switche uden PTP i hardware forringer nøjagtigheden for hvert hop.
4. Redundans, der ikke er uafhængig. PRP-netværkene skal have egen forsyning og egne kabelføringer, ellers kan én fejl slå begge ud.
5. Sikkerhed til sidst. Segmentering og adgangsrettigheder er nemmere at bygge ind fra starten end at tilføje senere.

Netværk og tidssynkronisering hos SCN

Vi har switche til koblingsanlæg og infrastruktur fra Moxa, tidsservere og PTP-grandmaster-ure fra Protempis samt rack-PC’er og netværksenheder fra blandt andre Axiomtek og Winmate. Produktsiderne angiver, hvilke standarder producenten oplyser.

Eksempler fra vores sortiment

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er IEC 61850?

En international standardserie for kommunikation i elnettets automation. Den definerer datamodel, protokoller og konfigurationsfiler, så udstyr fra forskellige producenter fungerer sammen.

Hvad er forskellen på GOOSE og MMS?

GOOSE sender hurtige hændelser som udkobling direkte på Ethernet til mange modtagere. MMS er en klient–server-protokol over TCP/IP til overvågning og styring.

Hvad er en procesbus?

Netværket mellem felterne og udstyret i koblingsanlægget. Her sendes Sampled Values fra merging units og GOOSE til afbryderne i stedet for kobberledninger.

Hvad er forskellen på PRP og HSR?

PRP bruger to separate netværk, HSR en ring. Begge sender hver ramme to gange og klarer en linkfejl uden afbrydelse.

Hvad kræves der af en switch til IEC 61850?

Afprøvning til stationsmiljø efter IEC 61850-3 eller IEEE 1613, gerne PRP eller HSR, PTP i hardware samt VLAN og multicastfiltrering.