IEC 61850 : modèles de données, MMS, GOOSE et SCL

Un appareil vendu comme « conforme à IEC 61850 » peut prendre en charge les rapports MMS sans GOOSE, ou GOOSE sans MMS. IEC 61850 est une série de normes dont trois composantes comptent pour l’intégrateur : le modèle de données de l’équipement, le langage de configuration de poste SCL pour les outils d’ingénierie et trois services de communication, MMS, GOOSE et les valeurs échantillonnées. Nommez les services dont le projet a besoin avant de demander les fichiers et testez chacun séparément.

Ce guide fait partie du parcours IEC 60870 et IEC 61850.

Le modèle de données

Un appareil électronique intelligent (IED), tel qu’un relais de protection ou un contrôleur de travée, expose une hiérarchie :

IEC 61850-7-4 définit les classes de nœuds logiques : MMXU désigne la mesure et XCBR un disjoncteur. Ces noms normalisent la signification ; ils n’imposent pas à chaque IED d’exposer les deux classes ou un objet de puissance active totale. Parcourez le modèle configuré ou consultez son SCL et la documentation du modèle du fabricant pour vérifier les nœuds, objets de données, attributs et noms d’instance disponibles.

La référence complète commence par le nom de l’appareil logique, constitué du nom de l’IED suivi de l’instance de l’appareil logique. Sur l’IED configuré pour cet exemple et nommé FDR1, la puissance active totale est FDR1LD0/MMXU1.TotW.mag.f, à lire avec la contrainte fonctionnelle MX. MMS transporte la même valeur sous la variable MMXU1$MX$TotW$mag$f dans le domaine FDR1LD0. Le courant de la phase A comporte un niveau de plus, car A est un objet WYE doté d’un sous-objet pour chaque phase : MMXU1.A.phsA.cVal.mag.f.

La contrainte fonctionnelle (FC) fait partie de l’adresse. ST porte les états, MX les valeurs mesurées, CO les commandes, CF la configuration, SP les consignes et DC les descriptions. Un même objet de données a des attributs relevant de plusieurs FC : XCBR1.Pos possède stVal, q et t sous ST, et ctlModel sous CF. Un client qui demande Pos.stVal sous MX reçoit une erreur, pas une valeur. Le tutoriel client de MZ Automation montre des lectures avec FC explicites.

Chaque état et chaque mesure possède une qualité (q) et un horodatage (t). La qualité indique la validité (good, invalid ou questionable), des détails tels que oldData et overflow, la source (procédé ou substitution), un indicateur d’essai et operatorBlocked. Un relais en essai peut transmettre un stVal normal avec q.test activé. Une passerelle qui transmet stVal en supprimant q fait passer cette valeur d’essai pour une valeur réelle.

Un jeu de données est une liste ordonnée d’objets ou d’attributs de données, chacun avec sa FC. Les rapports et GOOSE envoient des jeux de données, pas des points isolés. Prenez le modèle et les jeux de données de l’IED configuré ou de son fichier CID, pas d’un produit voisin ni d’un ancien micrologiciel.

Les services de communication

GOOSE et les valeurs échantillonnées n’utilisent pas IP : une connexion MMS fonctionnelle ne prouve donc rien à leur sujet. IEC TR 61850-90-5 définit des versions routables (R-GOOSE et R-SV) sur UDP/IP pour les applications étendues. GOOSE et les valeurs échantillonnées ordinaires restent dans un réseau de couche 2. IEC TR 61850-90-4 donne des recommandations pour l’ingénierie des réseaux locaux des postes.

Rapports MMS

Un bloc de contrôle de rapport envoie un jeu de données à un client. Un bloc avec tampon (BRCB, FC BR) conserve les événements pendant la déconnexion du client ; un bloc sans tampon (URCB, FC RP) les perd. Le client règle TrgOps pour choisir les déclencheurs : changement de donnée (dchg), changement de qualité (qchg), mise à jour de donnée (dupd), période d’intégrité et interrogation générale (GI). IntgPd définit la période d’intégrité, qui envoie tout le jeu de données. BufTm fixe le temps pendant lequel le serveur regroupe les changements avant d’émettre un rapport. Le client écrit RptEna en dernier pour démarrer le bloc. Un IED dispose d’un nombre fixe d’instances de chaque bloc : attribuez-en une à chaque client dans le SCD. Deux clients ne doivent pas utiliser la même instance.

Après une reconnexion, le client d’un bloc avec tampon écrit le dernier EntryID reçu, puis active RptEna. Le serveur transmet alors les entrées suivantes. Si le tampon a débordé pendant l’interruption, le rapport suivant porte BufOvfl. Le client doit alors lancer une interrogation générale pour reconstituer son état. Dimensionnez le tampon selon le taux d’événements multiplié par la durée maximale d’interruption attendue. Testez le débordement : déconnectez le client plus longtemps que ne tient le tampon, puis vérifiez qu’il signale la lacune et interroge le serveur.

GOOSE

Un émetteur GOOSE envoie son jeu de données dans une trame multicast vers une adresse MAC comprise entre 01-0C-CD-01-00-00 et 01-0C-CD-01-01-FF. La trame possède un APPID de 0x0000 à 0x3FFF et généralement un marquage VLAN de priorité 4. IEC 61850-5 impose un temps de transfert inférieur ou égal à 3 ms pour les messages de déclenchement de type 1A dans les classes de performance P2 et P3, qui concernent le transport. La classe P1 de distribution autorise 10 ms. Le temps est mesuré de l’application émettrice à l’application abonnée : il comprend le traitement des deux IED, pas seulement le réseau. Cette contrainte explique pourquoi GOOSE n’emploie pas TCP/IP.

GOOSE n’a pas d’accusé de réception. L’émetteur répète donc chaque message. Quand une valeur change, stNum augmente et le message part immédiatement. Les répétitions suivent à de courts intervalles qui s’allongent jusqu’à un battement régulier, dans les limites MinTime et MaxTime de l’élément GSE du fichier SCL. sqNum compte les répétitions et repart à chaque nouveau stNum. Chaque trame porte timeAllowedToLive, délai maximal avant l’arrivée de la suivante.

Un abonné n’accepte un flux que si GoCBRef, la référence du jeu de données et confRev correspondent à sa configuration. Une modification chez l’émetteur augmente confRev. Si l’abonné n’est pas mis à jour, il ignore le flux et peut n’afficher qu’un indicateur de diagnostic. Si timeAllowedToLive expire sans nouvelle trame, l’abonné marque le flux comme perdu et ses entrées prennent leurs valeurs de repli configurées. Testez les deux situations. Modifiez une valeur et mesurez la réponse de l’abonné. Déconnectez ensuite l’émetteur et vérifiez la valeur de repli et l’alarme.

Les trames de l’édition 2 portent un bit de simulation. Un abonné n’accepte les trames simulées que lorsque son LPHD.Sim est activé. LPHD.Sim sélectionne les flux d’entrée simulés ; il ne bloque pas les sorties de déclenchement. Les valeurs d’essai peuvent donc provoquer une manœuvre réelle. Avant de les injecter, un ingénieur qualifié en protection doit vérifier séparément le blocage des sorties et l’isolement selon la procédure d’essai approuvée du site, y compris pour les appareils en aval. Le mode simulation seul ne prouve pas que l’installation est isolée.

Valeurs échantillonnées

Une unité de fusion numérise les signaux des TC et des transformateurs de tension au niveau de l’appareillage et les publie comme valeurs échantillonnées vers des adresses MAC de 01-0C-CD-04-00-00 à 01-0C-CD-04-01-FF, avec des APPID de 0x4000 à 0x7FFF. Le guide d’implémentation UCA IEC 61850-9-2LE prévoyait 80 échantillons par cycle pour la protection, soit 4 000 Hz sur un réseau à 50 Hz, et 256 échantillons par cycle pour le comptage. IEC 61869-9 remplace ces fréquences par des valeurs fixes : 4 800 Hz pour la protection et les mesures générales, 14 400 Hz pour la qualité de l’énergie.

Chaque échantillon porte un compteur smpCnt qui repart à chaque seconde. Les fonctions comparant les courants de plusieurs unités de fusion, par exemple la protection différentielle de jeux de barres, exigent une référence temporelle commune. IEC/IEEE 61850-9-3 définit le profil Precision Time Protocol (PTP) destiné aux réseaux électriques. Surveillez l’état de synchronisation de chaque unité et définissez le comportement du relais lorsque l’une perd cette synchronisation.

Fichiers SCL

Consignez l’outil qui a produit chaque fichier, l’édition, la date et la révision de configuration. La racine SCL indique la version du schéma : les fichiers d’édition 2 portent la version 2007 avec une lettre de révision, et ceux d’édition 2.1 portent 2007B4. Un outil ou client d’édition 1 peut rejeter un fichier d’édition 2 ou ignorer les classes de nœuds et objets de données ajoutés par celle-ci.

Décidez quel outil est propriétaire du SCD. Une modification effectuée dans l’outil propre à un IED mais non renvoyée par un IID se perd à la prochaine exportation SCD. L’importation réussie d’un fichier ne prouve pas encore le fonctionnement des abonnements et des rapports.

Comparaison d’IEC 61850 et d’IEC 60870-5-104

Beaucoup de gestionnaires utilisent les deux : IEC 61850 dans le poste et IEC 104 de la passerelle du poste au centre de conduite. Le guide IEC 101 et IEC 104 traite de la téléconduite.

Correspondance des valeurs IEC 61850 vers IEC 104

Une intégration courante utilise une passerelle de poste qui lit les IED par MMS et sert le centre de conduite par IEC 104. IEC TS 61850-80-1 guide cette correspondance. Prenez FDR1LD0/MMXU1.TotW dans l’exemple précédent. La passerelle reçoit mag.f, q et t dans un rapport. Elle envoie une valeur mesurée en flottant court et horodatée (type 36, M_ME_TF_1) à une adresse d’objet d’information convenue.

Chaque indicateur de qualité exige une décision. Le descripteur de qualité IEC 104 possède cinq indicateurs. Une correspondance courante envoie une validité invalid vers IV, oldData vers NT, une source substituée vers SB, operatorBlocked vers BL et overflow vers OV. Une valeur questionable dépourvue de ces détails n’a pas d’équivalent exact : convenez si elle devient IV ou NT. Le descripteur ne possède pas d’indicateur d’essai ; décidez donc si la passerelle transmet les valeurs portant q.test.

L’horodatage exige également une décision. L’heure IEC 61850 est en UTC, avec un champ de qualité temporelle signalant une défaillance de l’horloge ou une perte de synchronisation. CP56Time2a offre la résolution en millisecondes et un bit d’invalidité ; les deux parties doivent convenir s’il porte UTC ou l’heure locale. Lorsque la source signale une horloge non synchronisée, activez le bit d’invalidité de l’horodatage. Le guide des horodatages et de la qualité présente le côté IEC 104.

Testez la correspondance depuis l’IED jusqu’à l’affichage du centre de conduite. Substituez une valeur sur l’IED et vérifiez SB au centre. Placez l’IED en mode essai et vérifiez le traitement de cette valeur par la passerelle.

Commandes

IEC 61850-7-2 définit la commande directe et la sélection avant exécution (SBO), chacune en sécurité normale ou renforcée. L’attribut CF ctlModel indique le modèle employé par un objet. Avec SBO en sécurité renforcée, le client écrit SBOw (sélection avec la valeur prévue), puis Oper. Une réponse positive à Oper signifie seulement que l’IED a accepté la commande. L’IED envoie ensuite CommandTermination, positif lorsque l’équipement atteint sa position finale ou négatif, avec AddCause, lorsqu’il ne l’atteint pas avant l’expiration du délai de manœuvre.

Les modèles de sécurité normale n’envoient pas CommandTermination : le client doit donc surveiller XCBR1.Pos.stVal. Pos est un état à deux points : position intermédiaire, arrêt, marche ou état incorrect. Un disjoncteur qui reste en position intermédiaire après son temps de manœuvre doit être considéré en échec.

Concluez avant toute écriture un accord sur le modèle de commande, l’autorité (locale ou distante et catégorie de l’émetteur orCat), les verrouillages, les délais et le retour d’état. Le guide de commande locale répertorie les cas de défaillance à tester pour chaque commande.

Sécurité

IEC 62351 précise la sécurité d’IEC 61850. La partie 3 applique TLS aux profils TCP/IP, la partie 4 couvre MMS, la partie 6 GOOSE et les valeurs échantillonnées, la partie 8 le contrôle d’accès par rôles et la partie 9 la gestion des clés. Un appareil qui prend en charge IEC 61850 peut n’implémenter aucune de ces parties. L’authentification GOOSE ajoute du traitement dans le délai de transfert des déclenchements : obtenez les mesures de temps du fabricant avant de l’activer sur un chemin de déclenchement. Demandez quelles fonctions de sécurité sont disponibles et activées, et qui gère certificats et clés.

Demandes préalables à une intégration

• Le modèle de l’IED, son micrologiciel et l’édition IEC 61850 de son modèle et de ses fichiers SCL.
• Les services concernés : lectures MMS, rapports, commandes, émission ou abonnement GOOSE, valeurs échantillonnées.
• Le fichier ICD et, si l’IED appartient déjà à un système, le fichier IID ou SCD.
• Les jeux de données, l’instance de bloc de contrôle de rapport pour chaque client et la taille des tampons.
• Pour GOOSE et les valeurs échantillonnées : APPID, adresse MAC de destination, identifiant et priorité VLAN, confRev, MinTime et MaxTime.
• La source temporelle et sa précision pour chaque IED.
• La façon dont la qualité et l’heure atteignent l’enregistrement final.
• Les fonctions de sécurité activées et la conception du réseau.

Un certificat de conformité IEC 61850-10 couvre les services et le modèle inclus dans son périmètre d’essai déclaré, pour une version de micrologiciel donnée. Il ne remplace pas la réception sur site de la configuration, du réseau et des cas de défaillance.

Postes électriques et systèmes EpiSensor

Edge ne comporte pas d’interface IEC 61850. Les systèmes EpiSensor ne participent pas aux réseaux IEC 61850 des postes. Ils mesurent et commandent le site client en aval du point de raccordement : comptage par circuit avec le moniteur électrique ZEM et réponse à une baisse de fréquence en 100 ms avec le contrôleur de réponse à la demande ZDR.

Un grand site peut posséder son propre poste haute tension, avec des relais qui communiquent avec le gestionnaire de réseau par IEC 61850 ou IEC 104. Si le projet a besoin d’une de ces valeurs dans Edge, il peut utiliser un convertisseur de protocole qui l’expose sur une interface lue par Edge, telle que Modbus TCP. Les registres Modbus ne portent ni qualité ni horodatage : convenez de la représentation d’une valeur invalide ou périmée par le convertisseur avant de l’utiliser.