IEC 61850 i ställverk – nätverk, tidssynk och datorer

Vad är IEC 61850?

IEC 61850 är en standardserie för kommunikation inom elnätets automation. Den togs fram för ställverk men används i dag även i vindkraft, vattenkraft och solparker. Tanken är att skyddsreläer, styrutrustning och mätare från olika tillverkare ska kunna prata med varandra utan specialanpassningar.

Varje enhet, en IED (Intelligent Electronic Device), beskrivs med en standardiserad datamodell. En brytare heter till exempel XCBR och ett överströmsskydd PTOC, oavsett tillverkare. Hela stationen konfigureras med filer i språket SCL (IEC 61850-6). Det gör det möjligt att byta eller lägga till utrustning utan att börja om.

Stationsbuss, processbuss och protokollen

Ett ställverk enligt IEC 61850 delas in i tre nivåer. Stationsbussen förbinder stationsdatorer och gateways med skydd och styrning i varje fack. Processbussen förbinder facken med utrustningen i ställverket, där merging units omvandlar ström och spänning från mättransformatorerna till digitala värden.

GOOSE och Sampled Values skickas som multicast direkt på Ethernet. Sampled Values går med tusentals meddelanden per sekund från varje merging unit. Switcharna måste därför kunna prioritera trafik och filtrera multicast med VLAN, annars kan mätvärdena översvämma nätet.

Krav på switchar: IEC 61850-3 och IEEE 1613

I ett ställverk utsätts elektroniken för kraftiga elektromagnetiska fält när brytare och frånskiljare manövreras, för överspänningar och för stora temperaturskillnader. En vanlig industriswitch räcker sällan.

IEC 61850-3 ställer allmänna krav på utrustning i ställverk: klimat, mekanik, produktsäkerhet och EMC i linje med IEC 61000-6-5 och IEC 60255. Den nordamerikanska standarden IEEE 1613 har två klasser. I klass 1 får kommunikationen störas under EMC-proven om den återhämtar sig. I klass 2 får den varken avbrytas eller få fel. IEEE 1613 tillåter inte fläktar.

• Fläktlös konstruktion och brett temperaturområde.
• Redundant matning, ofta från stationsbatteriet.
• Stöd för PRP eller HSR och PTP i hårdvara.
• VLAN, prioritering och multicastfiltrering för GOOSE och Sampled Values.
• Fiberportar för långa avstånd och galvanisk isolation.

Redundans och tidssynk: PRP, HSR och PTP

Vanliga redundansprotokoll som RSTP behöver tid för att hitta en ny väg när en länk går sönder. För skydd och Sampled Values är det för långsamt. IEC 62439-3 beskriver två protokoll utan omkopplingstid. Med PRP ansluts varje enhet till två helt oberoende nät och skickar varje ram på båda. Mottagaren använder den första och kastar dubbletten. Med HSR sitter enheterna i en ring och skickar ramen åt båda hållen. Enheter med bara en port ansluts via en RedBox.

Sampled Values och händelseloggar behöver gemensam tid med hög noggrannhet. IEC/IEEE 61850-9-3 är en profil av PTP (IEEE 1588) för elnät. Målet är bättre än 1 µs efter upp till 15 switchar, vilket kräver att switcharna hanterar PTP i hårdvara. Tiden kommer från en grandmasterklocka med GNSS-mottagare. Välj en klocka som håller tiden vid GNSS-bortfall och som motstår störning och förfalskning av satellitsignalen.

Datorer och cybersäkerhet i ställverket

I stationen finns ofta en stationsdator med operatörsbild, en gateway mot nätbolagets SCADA och en dator för konfiguration. Ska datorn stå i själva ställverket, fråga efter provning enligt IEC 61850-3 eller IEEE 1613, redundant DC-matning och nätverkskort med PRP. I ett separat kontrollrum räcker ofta en industriell rack-PC.

Ett digitalt ställverk är också ett mål för angrepp. IEC 62351 beskriver säkerhet för protokollen: del 3 och 4 för TLS och MMS, del 6 för GOOSE och Sampled Values, del 8 för rollbaserad behörighet och del 9 för nyckelhantering. IEC 62443 ger ramverket för zoner, kanaler och säkerhetsnivåer. I praktiken börjar det med segmentering, en brandvägg mot omvärlden och säker fjärråtkomst. NIS2-direktivet ställer dessutom krav på cybersäkerhet hos elnätsföretag.

Var används IEC 61850?

• Transmission och distribution – nya och moderniserade ställverk och fördelningsstationer.
• Förnybar energi – parkstationer i vind- och solparker och batterilager.
• Vattenkraft – stations- och aggregatstyrning.
• Industri och infrastruktur – egna mellanspänningsnät i processindustri, gruvor och datacenter.
• Järnväg – omformar- och matarstationer för banmatning.

Fem fallgropar

1. Vanliga switchar i ställverket. Utan provning enligt IEC 61850-3 eller IEEE 1613 kan kommunikationen störas just när en brytare löser ut.
2. Multicast utan filtrering. Sampled Values når alla portar och fyller nätet. Planera VLAN innan driftsättning.
3. Tidssynk i efterhand. Switchar utan PTP i hårdvara försämrar noggrannheten för varje hopp.
4. Redundans som inte är oberoende. PRP-näten ska ha egen matning och egna kabelvägar, annars kan ett fel slå ut båda.
5. Säkerhet sist. Segmentering och behörigheter är enklare att bygga in från början än att lägga till senare.

Nätverk och tidssynk hos SCN

Vi har switchar för ställverk och infrastruktur från Moxa, tidsservrar och PTP-grandmasterklockor från Protempis samt rack-PC och nätverksenheter från bland andra Axiomtek och Winmate. Produktsidorna anger vilka standarder tillverkaren uppger.

Exempel ur vårt sortiment

Vanliga frågor

Vad är IEC 61850?

En internationell standardserie för kommunikation i elnätets automation. Den definierar datamodell, protokoll och konfigurationsfiler så att utrustning från olika tillverkare fungerar ihop.

Vad är skillnaden mellan GOOSE och MMS?

GOOSE skickar snabba händelser som utlösning direkt på Ethernet till många mottagare. MMS är ett klient–server-protokoll över TCP/IP för övervakning och styrning.

Vad är en processbuss?

Nätverket mellan facken och utrustningen i ställverket. Där skickas Sampled Values från merging units och GOOSE till brytarna i stället för kopparledningar.

Vad är skillnaden mellan PRP och HSR?

PRP använder två separata nät, HSR en ring. Båda skickar varje ram två gånger och klarar ett länkfel utan avbrott.

Vad krävs av en switch för IEC 61850?

Provning för ställverksmiljö enligt IEC 61850-3 eller IEEE 1613, gärna PRP eller HSR, PTP i hårdvara samt VLAN och multicastfiltrering.