IEC 61850: Datenmodelle, MMS, GOOSE und SCL

Ein als „IEC-61850-konform“ angebotenes Gerät unterstützt möglicherweise nur MMS-Reporting oder nur GOOSE. IEC 61850 ist eine Normenreihe mit drei für Integratoren wichtigen Teilen: einem Datenmodell der Betriebsmittel, der Substation Configuration Language (SCL) für Engineering-Werkzeuge und den Kommunikationsdiensten MMS, GOOSE und Abtastwerte (Sampled Values). Benennen Sie die benötigten Dienste, bevor Sie Dateien anfordern, und testen Sie jeden Dienst einzeln.

Diese Anleitung gehört zur Reihe über IEC 60870 und IEC 61850.

Das Datenmodell

Ein intelligentes elektronisches Gerät (IED), etwa ein Schutzrelais oder Feldsteuergerät, stellt eine Hierarchie bereit:

IEC 61850-7-4 definiert Klassen logischer Knoten: MMXU bezeichnet Messung und XCBR einen Leistungsschalter. Diese Namen standardisieren die Bedeutung; sie verlangen nicht, dass jedes IED beide Klassen oder ein Objekt für die Gesamtwirkleistung bereitstellt. Durchsuchen Sie das konfigurierte Modell oder prüfen Sie dessen SCL und die Modelldokumentation des Herstellers auf verfügbare Knoten, Datenobjekte, Attribute und Instanznamen.

Die vollständige Referenz beginnt mit dem Namen des logischen Geräts: IED-Name gefolgt von der Instanz des logischen Geräts. In dem für dieses Beispiel konfigurierten IED namens FDR1 lautet die Gesamtwirkleistung FDR1LD0/MMXU1.TotW.mag.f; gelesen wird sie mit der Functional Constraint MX. MMS führt denselben Wert als Variable MMXU1$MX$TotW$mag$f in der Domäne FDR1LD0. Der Strom der Phase A liegt eine Ebene tiefer: A ist ein WYE-Objekt mit einem Unterobjekt je Phase, MMXU1.A.phsA.cVal.mag.f.

Die Functional Constraint (FC) ist Teil der Adresse. ST enthält Status, MX Messwerte, CO Steuerung, CF Konfiguration, SP Sollwerte und DC Beschreibungen. Ein Datenobjekt kann Attribute unter mehreren FCs haben: XCBR1.Pos hat stVal, q und t unter ST, aber ctlModel unter CF. Fragt ein Client Pos.stVal unter MX ab, erhält er einen Fehler und keinen Wert. Das Client-Tutorial von MZ Automation zeigt Lesezugriffe mit expliziter FC.

Jeder Status- und Messwert hat eine Qualität (q) und einen Zeitstempel (t). Die Qualität enthält eine Gültigkeit (gut, ungültig oder fraglich), Detailbits wie oldData und overflow, eine Herkunft (Prozess oder Ersatzwert), ein Testkennzeichen und ein operatorBlocked-Kennzeichen. Ein Relais im Test kann einen normalen stVal mit gesetztem q.test senden. Leitet ein Gateway stVal weiter und verwirft q, erscheint der Testwert als realer Prozesswert.

Ein Dataset ist eine geordnete Liste von Datenobjekten oder Attributen, jeweils mit FC. Reports und GOOSE senden Datasets, keine einzelnen Punkte. Entnehmen Sie Modell und Datasets dem konfigurierten IED oder seiner CID-Datei, nicht einem ähnlichen Produkt oder älterer Firmware.

Kommunikationsdienste

GOOSE und Abtastwerte nutzen kein IP. Eine funktionierende MMS-Verbindung beweist daher nichts über sie. IEC TR 61850-90-5 definiert routingfähige Varianten (R-GOOSE und R-SV) über UDP/IP für größere Netze. Gewöhnliche GOOSE- und Abtastwert-Nachrichten bleiben innerhalb eines Layer-2-Netzes. IEC TR 61850-90-4 gibt Hinweise zur Netzplanung für Umspannwerks-LANs.

MMS-Reports

Ein Report Control Block sendet ein Dataset an einen Client. Ein gepufferter Block (BRCB, FC BR) hält Ereignisse vor, während der Client getrennt ist. Ein ungepufferter Block (URCB, FC RP) verwirft sie. Mit TrgOps wählt der Client Auslöser: Datenänderung (dchg), Qualitätsänderung (qchg), Datenaktualisierung (dupd), Integritätsperiode und Generalabfrage (GI). IntgPd legt die Integritätsperiode fest, bei der das ganze Dataset gesendet wird. BufTm legt fest, wie lange der Server Änderungen vor dem Senden eines Reports sammelt. Zuletzt schreibt der Client RptEna, um den Block zu aktivieren. Ein IED hat eine feste Zahl von Instanzen je Blocktyp. Ordnen Sie in der SCD jedem Client eine eigene Instanz zu; zwei Clients dürfen nicht dieselbe nutzen.

Nach einer Wiederverbindung schreibt der Client eines gepufferten Blocks die zuletzt empfangene EntryID und setzt dann RptEna. Der Server sendet anschließend die folgenden Einträge. Ist der Puffer während des Ausfalls übergelaufen, trägt der nächste Report BufOvfl. Der Client muss dann seinen Zustand mit einer Generalabfrage neu aufbauen. Bemessen Sie den Puffer nach Ereignisrate mal längster erwarteter Ausfallzeit. Testen Sie den Überlauf: Trennen Sie den Client länger, als der Puffer reicht, und prüfen Sie Lückenkennzeichnung und Generalabfrage.

GOOSE

Ein GOOSE-Publisher sendet sein Dataset als Multicast-Frame an eine Ziel-MAC-Adresse zwischen 01-0C-CD-01-00-00 und 01-0C-CD-01-01-FF. Der Frame hat eine APPID zwischen 0x0000 und 0x3FFF und üblicherweise ein VLAN-Tag mit Priorität 4. IEC 61850-5 verlangt für Typ-1A-Auslösenachrichten in den Übertragungs-Leistungsklassen P2 und P3 höchstens 3 ms Übertragungszeit; die Verteilungsklasse P1 erlaubt 10 ms. Diese Zeit reicht von der sendenden bis zur empfangenden Anwendung, umfasst also die Verarbeitung beider IEDs und nicht nur das Netz. Dieses Budget ist ein Grund, warum GOOSE nicht TCP/IP verwendet.

GOOSE hat keine Quittung. Der Publisher wiederholt jede Nachricht. Ändert sich ein Wert, wird stNum erhöht und die Nachricht sofort gesendet. Weitere Sendungen folgen in kurzen, zunehmenden Abständen bis zu einem regelmäßigen Heartbeat, innerhalb von MinTime und MaxTime des GSE-Elements in SCL. sqNum zählt die Wiederholungen und beginnt bei jeder neuen stNum erneut. Jeder Frame enthält timeAllowedToLive: die Zeitspanne, innerhalb der der nächste Frame eintreffen muss.

Ein Subscriber akzeptiert einen Datenstrom nur, wenn GoCBRef, Dataset-Referenz und confRev zu seiner Konfiguration passen. Ändert der Publisher seine Konfiguration, steigt confRev. Ohne Aktualisierung ignoriert der Subscriber den Datenstrom und zeigt möglicherweise nur ein Diagnosekennzeichen. Läuft timeAllowedToLive ohne neuen Frame ab, markiert der Subscriber den Strom als verloren; seine Eingänge nehmen die konfigurierten Ersatzwerte an. Testen Sie beides: Ändern Sie einen Wert und messen Sie die Reaktion am Subscriber. Trennen Sie danach den Publisher und prüfen Sie Ersatzwert und Alarm.

Frames der Edition 2 tragen ein Simulationsbit. Ein Subscriber nimmt simulierte Frames nur an, wenn sein LPHD.Sim gesetzt ist. LPHD.Sim wählt simulierte Eingangsdatenströme aus; es sperrt keine Auslöseausgänge. Prüfwerte können daher reale Schalthandlungen auslösen. Vor dem Einspeisen muss eine qualifizierte Schutztechnik-Fachkraft Ausgangssperren und Trennung gemäß dem freigegebenen Prüfverfahren des Standorts gesondert überprüfen, einschließlich nachgelagerter Geräte. Der Simulationsmodus allein ist kein Nachweis, dass die Anlage getrennt ist.

Abtastwerte

Eine Merging Unit digitalisiert Stromwandler- und Spannungswandlersignale an der Schaltanlage und veröffentlicht sie als Abtastwerte. Ziel-MAC-Adressen reichen von 01-0C-CD-04-00-00 bis 01-0C-CD-04-01-FF, APPIDs von 0x4000 bis 0x7FFF. Die UCA-Implementierungsrichtlinie IEC 61850-9-2LE legte 80 Abtastwerte je Netzperiode für den Schutz fest: 4.000 Hz bei einem 50-Hz-Netz. Für Messung waren es 256 je Periode. IEC 61869-9 ersetzt diese Raten durch feste Werte: 4.800 Hz für Schutz und allgemeine Messung, 14.400 Hz für Spannungsqualitätsmessung.

Jeder Abtastwert enthält einen Zähler smpCnt, der jede Sekunde neu beginnt. Funktionen, die Ströme mehrerer Merging Units vergleichen, etwa der Sammelschienen-Differentialschutz, benötigen eine gemeinsame Zeitreferenz. IEC/IEEE 61850-9-3 definiert das PTP-Profil (Precision Time Protocol) für die Energieversorgung. Überwachen Sie den Synchronisationszustand jeder Merging Unit und legen Sie fest, wie das Relais auf den Verlust der Synchronisation reagiert.

SCL-Dateien

Halten Sie zu jeder Datei erzeugendes Werkzeug, Edition, Datum und Konfigurationsrevision fest. Das SCL-Wurzelelement nennt die Schemaversion: Dateien der Edition 2 tragen Version 2007 mit einem Revisionsbuchstaben, Dateien der Edition 2.1 tragen 2007B4. Ein Werkzeug oder Client der Edition 1 kann eine Datei der Edition 2 ablehnen oder die darin ergänzten Klassen logischer Knoten und Datenobjekte ignorieren.

Legen Sie fest, welches Werkzeug die SCD verwaltet. Eine Änderung im eigenen IED-Werkzeug, die nicht über eine IID zurückfließt, geht beim nächsten SCD-Export verloren. Ein erfolgreicher Dateiimport beweist noch nicht, dass Subscriptions und Reports funktionieren.

IEC 61850 gegenüber IEC 60870-5-104

Viele Netzbetreiber nutzen beide Normen: IEC 61850 im Umspannwerk und IEC 104 vom Stationsgateway zur Leitstelle. Die Anleitung zu IEC 101 und 104 beschreibt die Fernwirkseite.

IEC-61850-Werte auf IEC 104 abbilden

Eine häufige Integrationsaufgabe ist ein Stationsgateway, das IEDs per MMS liest und der Leitstelle IEC 104 bereitstellt. IEC TS 61850-80-1 gibt Hinweise zu dieser Abbildung. Nehmen wir FDR1LD0/MMXU1.TotW aus dem Beispiel. Das Gateway empfängt mag.f, q und t in einem Report. Es sendet einen Messwert als kurzen Gleitkommawert mit Zeitmarke (Typ 36, M_ME_TF_1) unter einer vereinbarten Informationsobjektadresse.

Für jedes Qualitätsbit ist eine Abbildungsentscheidung erforderlich. Der Qualitätsdeskriptor von IEC 104 hat fünf Kennzeichen. Eine typische Abbildung setzt IV bei ungültiger Gültigkeit, NT bei oldData, SB bei ersetzter Herkunft, BL bei operatorBlocked und OV bei overflow. Ein fraglicher Wert ohne eines dieser Details hat keine genaue Entsprechung; vereinbaren Sie, ob er zu IV oder NT wird. Der Deskriptor hat kein Testkennzeichen. Entscheiden Sie daher, ob das Gateway Werte mit gesetztem q.test weitergibt.

Auch die Zeitmarke braucht eine Entscheidung. IEC-61850-Zeit ist UTC, mit einem Zeitqualitätsfeld für Uhrausfall und verlorene Synchronisation. CP56Time2a hat Millisekundenauflösung und ein Invalid-Bit. Beide Enden müssen vereinbaren, ob es UTC oder Ortszeit enthält. Meldet die Quelle eine unsynchronisierte Uhr, setzen Sie das Invalid-Bit der Zeitmarke. Die Anleitung zu Zeitstempeln und Qualität erläutert die IEC-104-Seite.

Testen Sie die Abbildung vom IED bis zur Anzeige in der Leitstelle. Ersetzen Sie einen Wert im IED und prüfen Sie SB in der Leitstelle. Versetzen Sie das IED in den Testmodus und prüfen Sie, wie das Gateway den Wert behandelt.

Steuerung

IEC 61850-7-2 definiert direkte Steuerung und Select-before-operate (SBO), jeweils mit normaler oder erweiterter Sicherheit. Das CF-Attribut ctlModel legt das Modell eines Objekts fest. Bei SBO mit erweiterter Sicherheit schreibt der Client zuerst SBOw (Auswahl mit dem beabsichtigten Wert), dann Oper. Eine positive Antwort auf Oper bedeutet nur, dass das IED den Befehl angenommen hat. Anschließend sendet das IED eine CommandTermination. Sie ist positiv, wenn das Betriebsmittel die Endstellung erreicht, und negativ mit einem AddCause, wenn dies vor dem Zeitlimit für die Betätigung nicht geschieht.

Modelle mit normaler Sicherheit senden keine CommandTermination. Der Client muss deshalb XCBR1.Pos.stVal beobachten. Pos ist ein Doppelpunkt: Zwischenstellung, Aus, Ein oder fehlerhafter Zustand. Bleibt ein Schalter nach seiner Laufzeit in der Zwischenstellung, behandeln Sie das als fehlgeschlagene Betätigung.

Vereinbaren Sie vor jedem Schreibzugriff Steuerungsmodell, Befugnis (Ort oder Fern und Ursprungskategorie orCat), Verriegelungen, Zeitlimits und Rückmeldung. Die Anleitung zur lokalen Steuerung nennt die Fehlerfälle für jeden Befehl.

Sicherheit

IEC 62351 beschreibt die Sicherheit für IEC 61850. Teil 3 wendet TLS auf TCP/IP-Profile an, Teil 4 behandelt MMS, Teil 6 GOOSE und Abtastwerte, Teil 8 rollenbasierte Zugriffskontrolle und Teil 9 Schlüsselverwaltung. Ein IEC-61850-fähiges Gerät muss keinen dieser Teile implementieren. GOOSE-Authentifizierung benötigt zusätzliche Verarbeitung innerhalb des Zeitbudgets für die Auslösung. Fordern Sie die Zeitangaben des Herstellers an, bevor Sie sie auf einem Auslösepfad aktivieren. Fragen Sie, welche Sicherheitsfunktionen verfügbar und eingeschaltet sind und wer Zertifikate und Schlüssel verwaltet.

Angaben vor einer Integration

• IED-Modell, Firmware sowie IEC-61850-Edition von Modell und SCL-Dateien.
• Benötigte Dienste: MMS-Lesen, Reports und Steuerung, GOOSE senden oder empfangen, Abtastwerte.
• ICD-Datei sowie IID oder SCD, wenn das IED schon Teil eines Systems ist.
• Datasets, Report-Control-Block-Instanz je Client und Puffergrößen.
• Für GOOSE und Abtastwerte: APPID, Ziel-MAC-Adresse, VLAN-ID und -Priorität, confRev, MinTime und MaxTime.
• Zeitquelle und ihre Genauigkeit für jedes IED.
• Wie Qualität und Zeit bis in die endgültige Aufzeichnung gelangen.
• Aktivierte Sicherheitsfunktionen und Netzaufbau.

Eine Konformitätsbescheinigung nach IEC 61850-10 deckt die Dienste und das Modell im angegebenen Prüfumfang für eine Firmwareversion ab. Sie ersetzt nicht die Abnahme von Konfiguration, Netz und Fehlerfällen am Standort.

Umspannwerke und EpiSensor-Systeme

Edge besitzt keine IEC-61850-Schnittstelle. EpiSensor-Systeme nehmen nicht am IEC-61850-Netz eines Umspannwerks teil. Sie messen und steuern den Kundenstandort hinter dem Netzanschlusspunkt: Stromkreismessung mit dem ZEM-Elektrizitätsmonitor und Unterfrequenzreaktion innerhalb von 100 ms mit dem ZDR-Lastmanagementregler.

Ein großer Standort kann ein eigenes Hochspannungs-Umspannwerk betreiben, dessen Relais über IEC 61850 oder IEC 104 an den Netzbetreiber melden. Benötigt ein Projekt einen dieser Werte in Edge, kann ein Protokollkonverter ihn über ein von Edge gelesenes Protokoll wie Modbus TCP bereitstellen. Modbus-Register enthalten weder Qualität noch Zeitstempel. Vereinbaren Sie deshalb, wie der Konverter einen ungültigen oder veralteten Wert kennzeichnet, bevor Sie ihn verwenden.