IEC 61850 sähköasemilla – verkot, ajastus ja tietokoneet

Mikä on IEC 61850?

IEC 61850 on standardisarja sähkönjakelun automaation tiedonsiirrolle. Se kehitettiin sähköasemille, mutta nykyään sitä käytetään myös tuuli-, vesi- ja aurinkovoimassa. Ajatuksena on, että eri valmistajien suojareleet, ohjauslaitteet ja mittarit voivat kommunikoida keskenään ilman erillistä räätälöintiä.

Jokainen laite, IED (Intelligent Electronic Device), kuvataan standardoidulla tietomallilla. Katkaisijan nimi on XCBR ja ylivirtasuojaustoiminnon PTOC valmistajasta riippumatta. Koko asema konfiguroidaan SCL-kielisillä tiedostoilla (IEC 61850-6). Näin laitteita voidaan vaihtaa tai lisätä aloittamatta kaikkea alusta.

Asemaväylä, prosessiväylä ja protokollat

IEC 61850 -sähköasema jakautuu kolmeen tasoon. Asemaväylä yhdistää asematietokoneet ja yhdyskäytävät kunkin kentän suojaus- ja ohjauslaitteisiin. Prosessiväylä yhdistää kentät ensiölaitteisiin, joissa yhdistäjäyksiköt (merging unit) muuntavat mittamuuntajien virrat ja jännitteet digitaalisiksi arvoiksi.

GOOSE- ja Sampled Values -viestit lähetetään multicastina suoraan Ethernetissä. Jokainen yhdistäjäyksikkö lähettää tuhansia Sampled Values -viestejä sekunnissa. Siksi kytkimien täytyy priorisoida liikennettä ja suodattaa multicastia VLANien avulla, muuten mittaukset voivat tukkia verkon.

Kytkimiltä vaadittavaa: IEC 61850-3 ja IEEE 1613

Sähköasemalla elektroniikka altistuu voimakkaille sähkömagneettisille kentille katkaisijoiden ja erottimien toimiessa sekä ylijännitteille ja suurille lämpötilavaihteluille. Tavallinen teollisuuskytkin riittää harvoin.

IEC 61850-3 asettaa sähköasemalaitteille yleiset vaatimukset: ilmasto-olosuhteet, mekaniikka, tuoteturvallisuus ja EMC standardien IEC 61000-6-5 ja IEC 60255 mukaisesti. Pohjoisamerikkalaisessa IEEE 1613 -standardissa on kaksi luokkaa. Luokassa 1 tiedonsiirto saa häiriintyä EMC-testien aikana, kunhan se palautuu. Luokassa 2 se ei saa katketa eikä siihen saa tulla virheitä. IEEE 1613 ei salli tuulettimia.

• Tuulettimeton rakenne ja laaja lämpötila-alue.
• Kahdennettu syöttö, usein asema-akustosta.
• PRP- tai HSR-tuki ja laitteistopohjainen PTP.
• VLANit, priorisointi ja multicast-suodatus GOOSE- ja Sampled Values -liikenteelle.
• Kuituportit pitkille etäisyyksille ja galvaaniseen erotukseen.

Vikasietoisuus ja aikasynkronointi: PRP, HSR ja PTP

Tavallisilla vikasietoprotokollilla, kuten RSTP:llä, kestää hetki löytää uusi reitti, kun yhteys katkeaa. Suojaukselle ja Sampled Values -viesteille se on liian hidasta. IEC 62439-3 määrittelee kaksi protokollaa, joiden vaihtoaika on nolla. PRP:ssä jokainen laite liitetään kahteen täysin toisistaan riippumattomaan verkkoon ja lähettää jokaisen kehyksen molempiin. Vastaanottaja käyttää ensimmäisenä saapuvan ja hylkää kaksoiskappaleen. HSR:ssä laitteet muodostavat renkaan ja lähettävät jokaisen kehyksen kumpaankin suuntaan. Yksiporttiset laitteet liitetään RedBoxin kautta.

Sampled Values ja tapahtumalokit tarvitsevat yhteisen, tarkan ajan. IEC/IEEE 61850-9-3 on sähkönjakelun PTP-profiili (IEEE 1588). Sen tavoitteena on alle 1 µs:n tarkkuus jopa 15 kytkimen jälkeen, mikä edellyttää kytkimiltä laitteistopohjaista PTP:tä. Aika saadaan GNSS-vastaanottimella varustetusta grandmaster-kellosta. Valitse kello, joka pitää ajan GNSS-katkosten aikana ja kestää häirintää ja harhautusta (jamming ja spoofing).

Tietokoneet ja kyberturvallisuus sähköasemalla

Sähköasemalla on usein asematietokone käyttäjänäytöllä, yhdyskäytävä verkkoyhtiön SCADA-järjestelmään ja suunnittelutietokone. Jos tietokone sijoitetaan itse sähköasemalle, vaadi testaus IEC 61850-3:n tai IEEE 1613:n mukaan, kahdennettu DC-syöttö ja verkkokortit, joissa on PRP. Erillisessä valvomossa teollisuuden räkkitietokone riittää usein.

Digitaalinen sähköasema on myös hyökkäysten kohde. IEC 62351 kattaa protokollien tietoturvan: osat 3 ja 4 TLS:n ja MMS:n, osa 6 GOOSEn ja Sampled Valuesin, osa 8 roolipohjaisen pääsynhallinnan ja osa 9 avaintenhallinnan. IEC 62443 antaa vyöhykkeiden, kanavien ja turvatasojen viitekehyksen. Käytännössä työ alkaa segmentoinnista, ulospäin suojaavasta palomuurista ja turvallisista etäyhteyksistä. Myös NIS2-direktiivi asettaa verkkoyhtiöille kyberturvallisuusvaatimuksia.

Missä IEC 61850:tä käytetään?

• Kantaverkko ja jakeluverkko – uudet ja peruskorjattavat sähköasemat.
• Uusiutuva energia – tuuli- ja aurinkopuistojen keräilyasemat sekä akkuvarastot.
• Vesivoima – aseman ja koneistojen ohjaus.
• Teollisuus ja infrastruktuuri – yksityiset keskijänniteverkot prosessiteollisuudessa, kaivoksissa ja datakeskuksissa.
• Rautatiet – sähköradan syöttöasemat.

Viisi sudenkuoppaa

1. Tavalliset kytkimet sähköasemalla. Ilman IEC 61850-3:n tai IEEE 1613:n mukaista testausta tiedonsiirto voi häiriintyä juuri silloin, kun katkaisija laukeaa.
2. Suodattamaton multicast. Sampled Values -viestit päätyvät jokaiseen porttiin ja täyttävät verkon. Suunnittele VLANit ennen käyttöönottoa.
3. Aikasynkronointi jälkikäteen. Kytkimet ilman laitteistopohjaista PTP:tä heikentävät tarkkuutta jokaisella hypyllä.
4. Vikasietoisuus, joka ei ole riippumaton. PRP-verkot tarvitsevat erilliset syötöt ja kaapelireitit, muuten yksi vika voi kaataa molemmat.
5. Tietoturva viimeisenä. Segmentointi ja pääsynhallinta on helpompi rakentaa mukaan alusta alkaen kuin lisätä jälkikäteen.

Verkkotuotteet ja aikasynkronointi SCN:ltä

Toimitamme Moxan sähköasema- ja infrastruktuurikytkimiä, Protempisin aikapalvelimia ja PTP-grandmaster-kelloja sekä muun muassa Axiomtekin ja Winmaten räkkitietokoneita ja verkkolaitteita. Tuotesivuilla on lueteltu kunkin valmistajan ilmoittamat standardit.

Esimerkkejä valikoimastamme

Usein kysytyt kysymykset

Mikä on IEC 61850?

Kansainvälinen standardisarja sähkönjakelun automaation tiedonsiirrolle. Se määrittelee tietomallin, protokollat ja konfigurointitiedostot, jotta eri valmistajien laitteet toimivat yhdessä.

Mitä eroa on GOOSElla ja MMS:llä?

GOOSE lähettää nopeita tapahtumia, kuten laukaisuja, suoraan Ethernetissä monelle vastaanottajalle. MMS on TCP/IP:n päällä toimiva asiakas–palvelin-protokolla valvontaan ja ohjaukseen.

Mikä on prosessiväylä?

Kenttien ja ensiölaitteiden välinen verkko. Se välittää yhdistäjäyksiköiden Sampled Values -viestit ja katkaisijoille menevät GOOSE-viestit kuparijohtimien sijaan.

Mitä eroa on PRP:llä ja HSR:llä?

PRP käyttää kahta erillistä verkkoa, HSR rengasta. Molemmat lähettävät jokaisen kehyksen kahdesti ja selviävät yhteyden katkeamisesta ilman käyttökatkoa.

Mitä kytkimeltä vaaditaan IEC 61850 -käyttöön?

Sähköaseman olosuhteisiin tehty testaus IEC 61850-3:n tai IEEE 1613:n mukaan, mieluiten PRP tai HSR, laitteistopohjainen PTP sekä VLANit ja multicast-suodatus.