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Neues aus dem IEC TC 57 (Power system control and associated communications) Kurz vor dem Abschluß: Die Entwürfe zu IEC 61850 Zusammenfassung Die wesentlichen Entwürfe der kommenden Norm IEC 61850 stehen kurz vor dem Abschluß. Bis Ende 2000 sollen für alle wichtigen Teile Committee Drafts for Vote (CDV) vorliegen. Mit Erreichen des CDV-Status gelten die Entwürfe allgemein als ziemlich stabil. CDVs können in aller Regel nur noch minimal verändert werden. Verteilte Funktionen und die dazugehörige Echtzeit-Kommunikation stehen im Mittelpunkt der Festlegungen in den einzelnen Teilen der kommenden Norm IEC 61850 "Communication networks and systems in substations". Mit der Festlegung der verteilten Funktionen ist ein Paradigmenwechsel in der Stationsautomatisierung vollzogen worden. Erstmals werden für die wichtigsten Anwendungen wie beispielsweise Schutz, Steuerung und Überwachung neben den erforderlichen Kommunikationsmechanismen und -netzwerken vor allem die Datenmodelle der verteilten Funktionen (Semantik) spezifiziert. Diese Datenmodelle und der Zugriff darauf bieten den kompatiblen (offenen) Austausch aller Information zwischen den verschiedenen Geräten und Leitsystemen. Durch sie ist eine hohe Wiederverwendbarkeit gewährleistet. Einmal definierte Funktionen und ihre Daten können immer wieder - auch nach 20 Jahren noch und unabhängig vom Hersteller - verwendet werden. Durch diesen offenen Standard entsteht eine hohe Planungssicherheit. Durch den Einsatz anderer Standards, die bereits seit Jahren stabil sind, ist gewährleistet, dass auch die Festlegungen in 61850 langfristig stabil sind. TCP/IP ist schon 30, Ethernet 20 und MMS 10 Jahre stabil - dank internationaler Konsensbildung! Überblick über den Standard Bild 1 zeigt, dass schon der Titel des neuen Standards sowohl die Kommunikationsnetzwerke als auch Systemeigenschaften festlegt. Das Thema "System" nimmt deshalb auch den breitesten Raum in der Standardisierung ein.
In Bild 2 ist ein prinzipieller Vergleich der bisherigen Standards wie IEC 60870-5-101 und -5-103 und IEC 60870-6 TASE.2 mit dem neuen Standard 61850 dargestellt. Für das Zusammenwirken von Geräten untereinander und von Geräten mit der Leittechnik werden drei Ebenen beschrieben:
Im Vergleich zu den Normenreihen IEC 60870-5 und IEC 60870-6 TASE.2 deckt der Standard 61850 einen weitaus größeren Bereich an Kommunikationsnetzwerken und -funktionen als auch an anwendungsorientierten Datenmodellen ab. Die folgende Tabelle listet beispielhaft die verschiedenen Datenobjekte des Logischen Knoten eines Leistungsschalters (Logical Node Circuit Breaker - XCBR) auf. Logische Knoten stellen im Sinne der Objektorientierung Klassen dar, wobei die Datenobjekte den Attributen der Klassen entsprechen). Die Datenobjekte des Logischen Knoten sind in Gruppen organisiert. Jedem Datenobjekt ist eine Bedeutung (Semantik) und eine eindeutige Referenz (EnaFct, Pos, ...) zugeordnet. Diese Referenzen werden sowohl für die Modellierung und Projektierung als auch für die Kommunikation verwendet. Die Common Data Class definiert den Typ des Data Objects (SPC steht beispielsweise für einen Single Point Control Objekt). Logical Node: Circuit breaker / Logical Node Ref: XCBR
Mit den Datenmodellen des Standards lassen sich alle wesentlichen Anwendungen in der Stationsautomatisierung modellieren. Bild 3 zeigt eine Schaltanlage mit entsprechend eingezeichneten Logischen Knoten (Q0_L3/XCBR, ...). Die Logischen Knoten werden im Kontext einer Phase (L1, ...) benannt. Die Bezeichner wie "Q0_L3/" sind frei projektierbar. Die Bezeichner wie XCBR, XCTR, XDIS usw. sind durch den Standard vorgegeben! Durch den hierarchischen Namen "Qo_L3/XCBR.Pos" wird die Position des Schalters bezeichnet. Gibt es mehrere Exemplare eines bestimmten Logischen Knotens (einer bestimmten Klasse), so können die Bezeichner noch erweitert werden, beispielsweise: "Qo_L3/XCBR05.Pos"
Der Standard definiert nahezu 100 verschiedene Logische Knoten mit zusammen etwa 2000 Datenobjekten. Mit einem Read-Dienst können ein einzelner Meßwert wie "Subst1.Relay5/MMXU2.AphsB" oder alle Meßwerte wie "Subst1.Relay5/.MX" gelesen werden. Damit diese Namen, die bis zu 64 Zeichen lang sein können, nicht bei jeder Meldung mit übertragen werden müssen, werden Meldungsübertragungen speziell optimiert. Dazu ersetzt ein einziger "inclusion bitstring" alle Namen in einer Meldung. Werden 10 Werte gleichzeitig gemeldet, dann wird anstatt der langen Namen, nur eine Bitleiste von 10 Bits (!) übertragen. Jede Variable hat eine Position im Meldungsblock. Ist der Wert beispielsweise der Variable "Subst1.Relay5/MMXU2.AphsB" vorhanden, dann wird das Bit an der entsprechenden Position gesetzt und der Wert der Variable mit übertragen. Ist es nicht gesetzt, wird für diese Variable kein Wert übertragen. Auf diese Weise lassen sich Übertragungs-effiziente Meldungen generieren. Für andere Funktionen wie das wahlfreie Lesen von Werten werden die kompletten Namen verwendet. Das Auslösen der Meldungen erfolgt aufgrund unterschiedlicher, vom Client on-line änderbarer Kriterien (zyklisch, bei Werteänderung, bei Grenzwertverletzungen, etc.). Es lassen sich alle oder nur die geänderten Werte übertragen. Zur weiteren Optimierung dient die Sammlung mehrere Änderungen und deren gemeinsame Übertragung anhängig von einer eingestellten Zeit oder nach einer bestimmten Anzahl von Änderungen. Oder es können Übertragungen beim Verlassen eines on-line parametrierbaren Bandes (Deadband) ausgelöst werden. Diese Modelle garantieren eine maximale Wiederverwendbarkeit einmal spezifizierter Anwendungsmodelle. So lassen sich verschiedene Leistungsschalter einfach als Instanzen des Leistungsschalter-Modells ableiten. Die typischen Informationen jedes Schalters sind damit automatisch generierbar. Entscheidend kommt hinzu: Die Namen der Datenobjekte heißen -- bis auf Instanz-spezifische Suffixes und Präfixes -- immer gleich. Damit wird eine Menge standardisierter Begriffe (Semantik) definiert, die eine Verständigung mit einem Leistungsschalter ermöglichen. Die Modelle erlauben die Wiederverwendung einmal definierter, typischer Funktionen in der Stationsautomatisierung. Dies vereinfacht drastisch die Definition, Erstellung, Konfiguration, Benennung und die Pflege der Data Dictionaries und die Integration dieser Daten in übergeordnete Systeme. Zudem werden dadurch viele Fehlerquellen bei der Datenverwaltung und -pflege von vornherein vermieden. Die Unterscheidung in Applikationsmodelle, Dienste und Kommunikationsprofile eignet sich für die meisten Anwendungen im industriellen Umfeld, um damit offene, leistungsfähige und kostengünstige Lösungen zur einheitlichen Verständigung zu realisieren. Die Arbeitsgruppen zum Standard IEC 61850: Die drei folgenden IEC TC 57-Arbeitsgruppen sind an der Erarbeitung des Standards IEC 61850 beteiligt:
Die Teile des Standards "Communication networks and systems in substations" 61850:
Die einzelnen Kommunikationsfunktionen (Modelle und Services) des Teils 61850-7-2 sind im folgenden aufgelistet: Server model: Logical device model: Logical node model: Data object model: Data attribute model: Data set model: Publish and subscribe data transfer model: GOOSE model: Control model: Transmission of sampled values model: Time synchronisation model: FILE transfer model: Die wichtigsten Logischen Knoten des Teil 61850-7-4 Zur Verdeutlichung des Modellierungsmethode folgen einige Auszüge aus 61850-7-4. Die folgenden Gruppen Logischer Knoten mit ihren Bezeichnern sind definiert:
Die Bezeichner für die Gruppen werden in den einzelnen Klassen als erster Buchstabe (PBRO steht für "Protection Function") verwendet. Die Logischen Knoten für Schutzfunktionen ("P...") sind in folgender Tabelle aufgelistet:
Warum braucht der Markt diesen Standard? Mit zunehmend intelligenteren Geräten nimmt die Anzahl und die Komplexität der Daten in den verteilten Geräten deutlich zu. Schon jetzt entfallen bis zu 80% der Kosten für neue Informations- und Kommunikations-Anwendungen auf die Integration vorhandener verteilter Daten. Heutige Systeme müssen mit erheblichen Aufwendungen projektiert und gewartet werden. Durch die umfangreichen Datenmodelle wird die Projektierung deutlich vereinfacht, weil die einzelnen Modelle - einmal im Standard definiert - immer wieder verwendet werden können. Durch die Verwendung von einer Menge standardisierter hierarchischer Namen ist die Fehlerhäufigkeit deutlich geringer. Die anwendungspezifischen Namen aus der Anwendung brauchen nicht jedesmal neu auf irgendwelche Indizes abgebildet zu werden. Die Namen aus dem Standard können direkt für die Projektierung und die Kommunikation (immer wieder) verwendet werden. Durch die Verwendung weiterer offener Standards wie Ethernet, TCP/IP und MMS ist gewährleistet, dass die Basis von IEC 61850 ebenfalls lange stabil bleiben wird -- über mehrere Lebenszyklen von Systemen hinweg. Der Standard eignet sich auch heute schon für den Anschluß bestehender Systeme an einen offenen Informationsverbund (Nach- und Umrüsten - Retrofitting siehe Bild 3). Durch die Abbildung bestehender Lösungen auf ein und denselben Standard IEC 61850 können die Informationen, die heute meistens schwer von außen zugänglich sind, Teil eines offenen Verbundes werden, ohne dass die bestehenden Systeme verändert werden müßten.
Durch den Einsatz von Namen (mit definierter Bedeutung!) können bei der Fehlersuche die ausgetauschten Informationen direkt - und das unabhängig vom Hersteller - interpretiert werden! Auf der anderen Seite können durch das Lesen der Objektdefinitionen aus einem Gerät die standardisierten Eigenschaften der Geräte (Selfdescription) ausgelesen werden. In vielen Fabriken von General Motors beispielsweise stellen 90% aller verteilter Daten zwar einfache Signale dar; Fehler bei ihrer "Verschaltung" verursachen jedoch 50% der gesamten Wartungskosten einer Anlage. Eine EPRI-Studie in den USA geht weiter davon aus, dass 5 Milliarden DM des jährlichen Kommunikations- und Informationstechnik-Budgets der Energieversorgungsunternehmen in Höhe von 10 Milliarden DM auf die Anpassung von Datenbeständen an neue Schnittstellen entfallen. Insgesamt hat die Industrie 1998 laut einer Forrester Studie 160 Milliarden DM für die Integration von neuen Applikationen ausgegeben -- das sind 30 bis 40% des gesamten Budgets für IT-Systeme. IEC 61850 und UCA 2.0 Die wesentlichen internationalen System- und Gerätehersteller haben zusammen mit den wesentlichen nordamerikanischen und vielen europäischen Energieversorgern eine auf MMS basierende einheitliche Lösung für das offene Zusammenwirken von Automatisierungskomponenten in Energieversorgungsanlagen unter Echtzeitbedingungen erarbeitet. Das Ergebnis wurde Ende 1999 als IEEE Technical Report 1550 "Utility Communications Architecture (UCATM)" veröffentlicht:
Die wesentlichen Teile von UCA sind in die IEC-Standard-Entwürfe der Reihe 61850 eingeflossen. Der international anerkannte IEC-Standard 60870-6 TASE.2 (auch ICCP - Intercontrol center communication protocol genannt) basiert ebenfalls auf MMS.
Mit freundlicher Genehmigung von SCC Karlsruhe zur Verfügung gestellt. © SCC 2000
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