Normen und ihre Implementierung

Netzwerkredundanz und Interoperabilität in Umspannwerken

| Autor / Redakteur: Jürgen Kern * / Franz Graser

Bild 1: Eine typische Umspannstation
Bild 1: Eine typische Umspannstation ( © Martin Fally - Fotolia)

In vielen Umspannwerken erfolgt der Betrieb heute vollautomatisch oder ferngesteuert. Dies verlangt robuste Kommunikationslösungen insbesondere für betriebskritische Anwendungen.

Im elektrischen Versorgungsnetz eines Energieversorgungsunternehmens (EVU) ist ein Umspannwerk (auch Unterstation genannt) ein wichtiger Teil und dient der Umwandlung unterschiedlicher Spannungsebenen. Umspannwerke für den Hoch- und Mittelspannungsbereich bestehen neben den Leistungstransformatoren immer aus Schaltanlagen und weiteren Einrichtungen zur Messwerterfassung und Steuerung der Anlage sowie der Übertragung der dabei anfallenden Daten.

Durch den hohen Grad an Automatisierung erfolgt der Betrieb in vielen Umspannwerken heute vollautomatisch bzw. ferngesteuert von Leitzentralen aus, ohne Betriebspersonal vor Ort. Dies verlangt robuste Kommunikationslösungen insbesondere für betriebskritische Anwendungen, um maximale Sicherheit und Verfügbarkeit zu gewährleisten. Daraus resultieren besondere Anforderungen:

Normierung / Interoperabilität / Kostensenkung

In Unterstationen wurden früher Geräte mit proprietärer Infrastruktur und herstellerspezifischen Kommunikationsschnittstellen eingesetzt. Ergebnis war eine sehr hohe Herstellerabhängigkeit und damit verbunden höhere Kosten. Genormte Prozesse, Protokolle und gerätetechnische Funktionsdefinitionen sollen zur Interoperabilität von Systemen verschiedener Hersteller führen.

Zuverlässigkeit / Sicherheit

EVUs sind zunehmend gezwungen, die Sicherheit und Zuverlässigkeit ihrer Anlagen sicherzustellen und nachzuweisen. Dazu sind Intelligente Systeme (IED = “Intelligent Electronic Device“) notwendig, welche Daten über den aktuellen Zustand der Anlagen erfassen und in Echtzeit zur Verfügung stellen (SCADA). Als Folge steigen die Anforderungen an die Bandbreite und die Verfügbarkeit der Kommunikationsinfrastruktur.

Integration der Unterstation

Schutzfunktion, Steuerung und Datenübertragung sollen auf möglichst wenige Geräte konzentriert werden. Dies erhöht die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Infrastruktur, führt jedoch auch in den meisten Fällen zu Kosteneinsparungen.

Bandbreite und Latenz

Viele Anwendungen (z.B. Schutzmechanismen) sind zeitkritisch und erfordern sehr kurze Latenzzeiten (Echtzeit). Neue Dienste sowie das Erfassen zusätzlicher Daten lassen den Bandbreitenbedarf ständig ansteigen

Um diesen Anforderungen zu genügen, wurde die Norm IEC 61850 in Zusammenarbeit mit verschiedenen Herstellern und Anwendern definiert und von der IEC verabschiedet. Sie soll Schutztechnik, Kommunikation und Steuerung von Schaltanlagen auf eine einheitliche Basis stellen. IEC 61850 verwendet TCP/IP als Basisübertragungsprotokoll und hat sich mittlerweile als Kommunikationsstandard im Markt der Automatisierung von Schaltanlagen weltweit etabliert.

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IEC 61850 im Überblick

Er kommt mittlerweile nicht nur bei Umspannwerken, sondern auch in Hydro-Kraftwerken im Bereich erneuerbarer sowie anderer Energien zum Einsatz. Allerdings wurde bei der Definition des IEC 61850-Standards die zugrunde liegende Hardware der Infrastruktur nicht im Detail festgelegt, weil man glaubte, dass andere Standards für industrielles Ethernet ihren Weg in die Stationsautomatisierung finden. Dies galt vor allem für zwei unverzichtbare Netzwerkfunktionen: Zeitsynchronisation und Netzwerkredundanz.

Die Zeitsynchronisation wurde vom SNTP (Simple Network Time Protocol) und für die strengeren Anforderungen vom IEEE 1588-Standard gelöst und wird hier nicht näher betrachtet.

Die Netzwerkredundanz jedoch verblieb als eine große Hürde: Denn das Fehlen einer allgemein akzeptierten Redundanzlösung drohte das ganze Konzept der Interoperabilität von IEC 61850 zu gefährden, da einige Hersteller begonnen hatten, proprietäre Redundanzlösungen auf den Markt zu bringen und damit effektiv verhinderten, interoperable und herstellerunabhängige Infrastrukturen schaffen zu können.

Glücklicherweise wurde noch rechtzeitig die IEC-Norm 62439 veröffentlicht, die mehrere Redundanzverfahren normiert. Das Parallel Redundancy Protocol (PRP) IEC 62439-3 beruht auf dem Parallelbetrieb von zwei identischen lokalen Netzwerken, dem zeitlich nahtlosen Umschalten dazwischen bei Ausfall von Links oder Switches und erfüllt damit alle harten Echtzeitanforderungen der Stationsautomatisierung. Das gewährleistet, dass kein einziges Datenpaket verloren geht. Nachfolgend wird das IEC 62439-3 PRP Protokoll, auch PRP-Protokoll genannt, näher erläutert.

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