IEC 61850-1 Einführung und Überblick
Anwendungsbereich, Ziele und Architekturüberblick. Führt die Schlüsselkonzepte ein: logische Knoten, Datenobjekte, Dienste und Kommunikationsstapel. Ausgangspunkt für das Verständnis der Norm.
IEC 61850
Kommunikationsnetze und -systeme für die Automatisierung von Energieversorgungsnetzen
IEC 61850 ist die internationale Norm für die Kommunikation in elektrischen Umspannwerken und der Automatisierung von Energieversorgungsnetzen. Sie definiert ein einheitliches Datenmodell für Schutzrelais, Leistungsschalter, Transformatoren und andere Umspannwerksgeräte und ermöglicht die Interoperabilität zwischen IEDs verschiedener Hersteller über Ethernet.
Dokumentstruktur
IEC 61850-5 Kommunikationsanforderungen für Funktionen und Gerätemodelle
Definiert die Leistungsanforderungen — Nachrichtentypen (Typ 1 bis Typ 7), Übertragungszeitklassen und welche Nachrichten zeitkritisch sind. GOOSE-Nachrichten müssen für Auslösefunktionen in <4 ms übertragen werden.
IEC 61850-6 Konfigurationsbeschreibungssprache (SCL)
XML-basierte Umspannwerkskonfigurationssprache. Definiert vier Dateitypen: SCD (vollständiges Umspannwerk), SSD (Einlinienschema), ICD (IED-Fähigkeiten), CID (konfiguriertes IED). SCL ermöglicht herstellerneutrale Konfiguration und Import/Export zwischen Engineering-Werkzeugen.
IEC 61850-7-1 Grundlegende Kommunikationsstruktur — Prinzipien und Modelle
Definiert das abstrakte Datenmodell: Server-, logisches Gerät-, logischer Knoten-, Datenobjekt-, Datenattribut-Hierarchie. Auf alle IED-Daten wird über dieses Modell zugegriffen, unabhängig vom zugrunde liegenden Kommunikationsprotokoll.
IEC 61850-7-2 Abstrakte Kommunikationsdienstschnittstelle (ACSI)
Die abstrakten Dienstdefinitionen — Berichte, Protokollierung, GOOSE-Steuerung, Abtastwerte, Einstellgruppen. ACSI ist die plattformunabhängige Dienstschicht, die MMS und andere Protokolle implementieren.
IEC 61850-7-3 Gemeinsame Datenklassen (CDC)
Normierte Datenklassen — SPS (Einzelpunktstatus), DPS (Doppelpunktstatus), MV (Messwert), CMV (komplexer Messwert) usw. CDC + logische Knotennamen geben jedem Datenpunkt eine Standardidentität bei allen Herstellern.
IEC 61850-7-4 Kompatible logische Knotenklassen und Datenobjektklassen
Der Katalog der logischen Knoten: XCBR (Leistungsschalter), XSWI (Trenner), PDIF (Differentialschutz), POTT (Distanzschutz), PTOC (Überstromschutz), MMXU (Messeinheit) usw. Diese normierten Namen erscheinen in jedem IEC 61850-konformen Relais.
IEC 61850-8-1 Spezifische Kommunikationsdienstzuordnung — MMS
Ordnet ACSI-Dienste MMS (Manufacturing Message Specification, ISO 9506) über TCP/IP zu. MMS ist das Stationsbus-Protokoll für den SCADA-Zugriff auf IED-Daten — Berichte, Protokolle, Steuerung.
IEC 61850-9-2 Spezifische Kommunikationsdienstzuordnung — Abtastwerte (SV)
Merging-Unit-Schnittstelle — veröffentlicht digitalisierte Momentanwerte von Strom und Spannung (typisch 80 oder 256 Abtastwerte/Zyklus) als Ethernet-Multicast. Ersetzt die Kupfer-Sekundärverdrahtung der Stromwandler in digitalen Umspannwerken.
IEC 61850-10 Konformitätsprüfung
Konformitätsprüfanforderungen und -methoden für IED-Hersteller. Erfolgreiche Konformitätsprüfungen (durch akkreditierte Labore wie KEMA, CESI) sind Voraussetzung für die Interoperabilität.
Schlüsselbegriffe
- Logischer Knoten (LN)
(LN) - Die fundamentale Funktionseinheit in IEC 61850. Jeder logische Knoten repräsentiert eine bestimmte Funktion (XCBR = Leistungsschalter, PDIF = Differentialschutz). Jeder logische Knoten hat eine normierte Menge von Datenobjekten und -attributen, die es Werkzeugen und Systemen ermöglichen, Daten unabhängig vom Hersteller automatisch zu erkennen und zu interpretieren.
- GOOSE (Generic Object-Oriented Substation Event)
(GOOSE) - Hochgeschwindigkeits-Publish-Subscribe-Messaging für Schutz und Verriegelung — ersetzt festverdrahtete Kupfer-Auslöse-/Schließsignale. GOOSE-Nachrichten werden als Multicast über IEEE 802.1Q VLAN übertragen, erreichen Übertragungszeiten <4 ms und enthalten ein Wiederholungsschema für Zuverlässigkeit. Kritischer Leistungspfad beim Entwurf von Schutzschemen.
- Abtastwerte (SV)
(SV) - IEEE 802.3 Ethernet-Multicast von digitalisierten Momentanwerten von Strom und Spannung aus Merging Units. Ermöglicht Prozessbus-Architektur, bei der Schutzrelais digitale Eingaben anstelle von festverdrahteten CT/VT-Sekundärsignalen empfangen. IEC 61869-9 behandelt die Merging-Unit-Schnittstelle.
- Umspannwerkskonfigurationssprache (SCL)
(SCL) - XML-basierte Engineering-Sprache (IEC 61850-6) zur Beschreibung des vollständigen Umspannwerks. Eine SCD-Datei (Substation Configuration Description) enthält das Einlinienschema, alle IEDs, alle logischen Knoten, alle GOOSE- und SV-Abonnements. SCL-basierte Engineering-Werkzeuge (DIGSI, PCM600, EcoStruxure) tauschen SCD-Dateien für die Multi-Vendor-Konfiguration aus.
- Prozessbus
- Architektur, bei der Merging Units und intelligente Leistungsschaltereinheiten im Schaltanlagenfeld installiert sind und über optische Glasfaser-Ethernet mit Schutzrelais im Relaisraum kommunizieren. Ersetzt Kupfer-CT-, VT- und Binär-E/A-Verdrahtung. Ermöglicht durch IEC 61850-9-2 (SV) und IEC 61850-8-1 (GOOSE). Standard für neue GIS-Umspannwerke.
- Stationsbus
- Ethernet-LAN, das alle IEDs im Steuerschutzgebäude des Umspannwerks mit dem Stations-SCADA/HMI verbindet. Verwendet MMS (IEC 61850-8-1) für den Datenzugriff und GOOSE für die Inter-IED-Kommunikation. Typisch ein redundantes Ringnetzwerk nach IEC 62439-3 (PRP/HSR).
Notes & guidance
Überblick
IEC 61850 ist die Norm für die Automatisierungs- und Schutzkommunikation in Umspannwerken. Vor IEC 61850 verwendete jeder Relais- und IED-Hersteller ein proprietäres Protokoll — was zu teurer, herstellergebundener Umspannwerkstechnik mit Hunderten von Kupfer-Punkt-zu-Punkt-Verbindungen führte.
IEC 61850 führt ein:
- Ein gemeinsames Datenmodell — normierte logische Knoten und Datenobjekte bedeuten, dass jedes konforme Werkzeug Daten von jedem konformen IED erkennen und interpretieren kann
- Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Messaging — GOOSE ersetzt Kupfer-Auslösedrähte; Abtastwerte ersetzen die Kupfer-Sekundärverdrahtung von CT/VT
- XML-Engineering — SCL-Dateien ermöglichen herstellerneutrale Konfiguration und dokumentieren das gesamte Umspannwerk in einem maschinenlesbaren Format
Kommunikationsarchitektur
+------------ Stationsbus (MMS / GOOSE) --------------------------+
| SCADA / HMI Gateway Schutzrelais A Schutzrelais B |
| (Client) (IEC->ICCP) |
+----------------------------------------------------------------+
| | |
+----- Prozessbus (GOOSE + Abtastwerte) -------------------------+
| Merging Unit A Merging Unit B Intell. LS-Einheit |
| (CT/VT digital) (CT/VT digital) (Position + GOOSE) |
+---------------------------------------------------------------+
Nachrichtentypen und Übertragungszeiten
| Nachrichtentyp | Protokoll | Übertragungszeit | Anwendung |
|---|---|---|---|
| GOOSE | IEEE 802.1Q | <4 ms (Typ 1A) | Schutzauslösung, Verriegelung |
| Abtastwerte | IEEE 802.3 | <4 ms (Typ 4) | Strom/Spannung der Merging Unit |
| Berichte (BRCB/URCB) | MMS/TCP | <100 ms (Typ 2) | Ereignisgesteuerte Daten an SCADA |
| Protokollierung | MMS/TCP | <1.000 ms (Typ 3) | Historische Ereignisfolge |
| Steuerung | MMS/TCP | <500 ms (Typ 1B) | Leistungsschalter Auf/Zu |
| Dateien | MMS/TCP | Kein Zeitlimit | Oszillographie, Einstellungen |
GOOSE-Netzwerk-Designanforderungen
- Dediziertes VLAN je GOOSE-Strom — GOOSE nie mit allgemeinem IT-Verkehr mischen
- Redundantes Netzwerk: PRP (Parallel Redundancy Protocol, IEC 62439-3) — null Wiederherstellungszeit bei einzelnem Link-/Switch-Ausfall
- IEEE 1588 PTP-Zeitsynchronisation — Klasse-C-Genauigkeit (1 µs) für Abtastwerte; Klasse T (1 ms) für GOOSE und Ereigniszeitstempel
- Switches müssen IGMP-Snooping unterstützen, um GOOSE-Multicast-Überflutung zu kontrollieren
- Maximale Switch-Latenz im GOOSE-Pfad: <1 ms je Hop
SCL-Datei-Workflow
- Jeder IED-Hersteller liefert eine ICD-Datei (IED Capability Description)
- Der Umspannwerksingenieur importiert ICD-Dateien in das SCD-Werkzeug
- GOOSE- und SV-Abonnements werden im SCD-Werkzeug konfiguriert
- Das Werkzeug exportiert CID-Dateien (Configured IED) für jedes Relais
- CID-Dateien werden in Relais geladen und mit Konformitätsprüfwerkzeugen validiert
Betroffene Branchen
- energy
- oil-and-gas
- manufacturing
- water-treatment