IEC 61850 i transformatorstasjoner – nettverk og tidssynk

Hva er IEC 61850?

IEC 61850 er en standardserie for kommunikasjon i automasjon av kraftnettet. Den ble utviklet for transformatorstasjoner, men brukes i dag også i vindkraft, vannkraft og solkraftverk. Tanken er at vernreleer, styreutstyr og målere fra ulike produsenter skal kunne snakke sammen uten spesialtilpasninger.

Hver enhet, en IED (Intelligent Electronic Device), beskrives med en standardisert datamodell. En effektbryter heter for eksempel XCBR og et overstrømsvern PTOC, uansett produsent. Hele stasjonen konfigureres med filer i språket SCL (IEC 61850-6). Det gjør det mulig å bytte eller legge til utstyr uten å begynne på nytt.

Stasjonsbuss, prosessbuss og protokollene

En stasjon etter IEC 61850 deles inn i tre nivåer. Stasjonsbussen forbinder stasjonsdatamaskiner og gatewayer med vern og styring i hvert felt. Prosessbussen forbinder feltene med utstyret i koblingsanlegget, der merging units gjør om strøm og spenning fra måletransformatorene til digitale verdier.

GOOSE og Sampled Values sendes som multicast direkte på Ethernet. Sampled Values går med tusenvis av meldinger i sekundet fra hver merging unit. Svitsjene må derfor kunne prioritere trafikk og filtrere multicast med VLAN, ellers kan måleverdiene oversvømme nettet.

Krav til svitsjer: IEC 61850-3 og IEEE 1613

I en stasjon utsettes elektronikken for kraftige elektromagnetiske felt når effektbrytere og skillebrytere manøvreres, for overspenninger og for store temperaturforskjeller. En vanlig industrisvitsj holder sjelden.

IEC 61850-3 stiller generelle krav til utstyr i stasjoner: klima, mekanikk, produktsikkerhet og EMC i tråd med IEC 61000-6-5 og IEC 60255. Den nordamerikanske standarden IEEE 1613 har to klasser. I klasse 1 kan kommunikasjonen forstyrres under EMC-testene hvis den gjenoppretter seg. I klasse 2 skal den verken avbrytes eller få feil. IEEE 1613 tillater ikke vifter.

• Viftefri konstruksjon og bredt temperaturområde.
• Redundant forsyning, ofte fra stasjonsbatteriet.
• Støtte for PRP eller HSR og PTP i maskinvare.
• VLAN, prioritering og multicastfiltrering for GOOSE og Sampled Values.
• Fiberporter for lange avstander og galvanisk isolasjon.

Redundans og tidssynk: PRP, HSR og PTP

Vanlige redundansprotokoller som RSTP trenger tid for å finne en ny vei når en lenke svikter. For vern og Sampled Values er det for tregt. IEC 62439-3 beskriver to protokoller uten omkoblingstid. Med PRP kobles hver enhet til to helt uavhengige nett og sender hver ramme på begge. Mottakeren bruker den første og forkaster duplikatet. Med HSR sitter enhetene i en ring og sender rammen begge veier. Enheter med bare én port kobles til via en RedBox.

Sampled Values og hendelseslogger trenger felles tid med høy nøyaktighet. IEC/IEEE 61850-9-3 er en profil av PTP (IEEE 1588) for kraftnett. Målet er bedre enn 1 µs etter opptil 15 svitsjer, noe som krever at svitsjene håndterer PTP i maskinvare. Tiden kommer fra en grandmasterklokke med GNSS-mottaker. Velg en klokke som holder tiden ved GNSS-bortfall, og som motstår jamming og spoofing av satellittsignalet.

Datamaskiner og cybersikkerhet i stasjonen

I stasjonen finnes ofte en stasjonsdatamaskin med operatørbilde, en gateway mot nettselskapets SCADA og en datamaskin for konfigurasjon. Skal datamaskinen stå i selve koblingsanlegget, bør du spørre etter testing etter IEC 61850-3 eller IEEE 1613, redundant DC-forsyning og nettverkskort med PRP. I et separat kontrollrom holder det ofte med en industriell rack-PC.

En digital stasjon er også et mål for angrep. IEC 62351 beskriver sikkerhet for protokollene: del 3 og 4 for TLS og MMS, del 6 for GOOSE og Sampled Values, del 8 for rollebasert tilgangskontroll og del 9 for nøkkelhåndtering. IEC 62443 gir rammeverket for soner, kanaler og sikkerhetsnivåer. I praksis begynner det med segmentering, en brannmur mot omverdenen og sikker fjerntilgang. NIS2-direktivet stiller i tillegg krav til cybersikkerhet hos nettselskaper.

Hvor brukes IEC 61850?

• Transmisjon og distribusjon – nye og moderniserte transformatorstasjoner og nettstasjoner.
• Fornybar energi – parkstasjoner i vind- og solkraftverk og batterilagre.
• Vannkraft – stasjons- og aggregatstyring.
• Industri og infrastruktur – egne mellomspenningsnett i prosessindustri, gruver og datasentre.
• Jernbane – omformer- og matestasjoner for banestrømforsyning.

Fem fallgruver

1. Vanlige svitsjer i stasjonen. Uten testing etter IEC 61850-3 eller IEEE 1613 kan kommunikasjonen forstyrres akkurat når en bryter løser ut.
2. Multicast uten filtrering. Sampled Values når alle porter og fyller nettet. Planlegg VLAN før idriftsettelse.
3. Tidssynk i etterkant. Svitsjer uten PTP i maskinvare forringer nøyaktigheten for hvert hopp.
4. Redundans som ikke er uavhengig. PRP-nettene skal ha egen forsyning og egne kabeltraseer, ellers kan én feil slå ut begge.
5. Sikkerhet til slutt. Segmentering og tilgangsrettigheter er enklere å bygge inn fra starten enn å legge til senere.

Nettverk og tidssynk hos SCN

Vi har svitsjer for stasjoner og infrastruktur fra Moxa, tidsservere og PTP-grandmasterklokker fra Protempis samt rack-PC-er og nettverksenheter fra blant andre Axiomtek og Winmate. Produktsidene viser hvilke standarder produsenten oppgir.

Eksempler fra sortimentet vårt

Vanlige spørsmål

Hva er IEC 61850?

En internasjonal standardserie for kommunikasjon i automasjon av kraftnettet. Den definerer datamodell, protokoller og konfigurasjonsfiler, slik at utstyr fra ulike produsenter fungerer sammen.

Hva er forskjellen på GOOSE og MMS?

GOOSE sender raske hendelser som utkobling direkte på Ethernet til mange mottakere. MMS er en klient–server-protokoll over TCP/IP for overvåking og styring.

Hva er en prosessbuss?

Nettverket mellom feltene og utstyret i koblingsanlegget. Der sendes Sampled Values fra merging units og GOOSE til bryterne i stedet for kobberledninger.

Hva er forskjellen på PRP og HSR?

PRP bruker to separate nett, HSR en ring. Begge sender hver ramme to ganger og tåler en lenkefeil uten avbrudd.

Hva kreves av en svitsj for IEC 61850?

Testing for stasjonsmiljø etter IEC 61850-3 eller IEEE 1613, gjerne PRP eller HSR, PTP i maskinvare samt VLAN og multicastfiltrering.