IEC 61850: modelli dei dati, MMS, GOOSE e SCL

Un dispositivo venduto come «conforme a IEC 61850» potrebbe supportare soltanto la segnalazione MMS, oppure soltanto GOOSE. IEC 61850 è una serie di standard con tre parti importanti per chi integra sistemi: un modello dei dati dell'apparecchiatura, il linguaggio di configurazione SCL (Substation Configuration Language) per gli strumenti di progettazione e tre servizi di comunicazione, MMS, GOOSE e valori campionati. Indica i servizi necessari al progetto prima di chiedere i file e prova ciascuno separatamente.

Questa guida fa parte della serie IEC 60870 e IEC 61850.

Il modello dei dati

Un dispositivo elettronico intelligente (IED), come un relè di protezione o un controllore di baia, espone una gerarchia:

IEC 61850-7-4 definisce le classi dei nodi logici: MMXU indica la misura e XCBR un interruttore. Questi nomi ne standardizzano il significato; non impongono a ogni IED di esporre entrambe le classi o un oggetto di potenza attiva totale. Esplora il modello configurato oppure consulta il suo SCL e la documentazione del modello del fornitore per verificare nodi, oggetti di dati, attributi e nomi delle istanze disponibili.

Il riferimento completo inizia con il nome del dispositivo logico, formato dal nome dell'IED seguito dall'istanza del dispositivo logico. Nell’IED configurato per questo esempio e chiamato FDR1, la potenza attiva totale è FDR1LD0/MMXU1.TotW.mag.f, letta con il vincolo funzionale MX. MMS trasporta lo stesso valore come variabile MMXU1$MX$TotW$mag$f nel dominio FDR1LD0. La corrente della fase A ha un livello in più, perché A è un oggetto WYE con un sotto-oggetto per ogni fase: MMXU1.A.phsA.cVal.mag.f.

Il vincolo funzionale (FC) fa parte dell'indirizzo. ST contiene lo stato, MX i valori misurati, CO il controllo, CF la configurazione, SP i valori di riferimento e DC le descrizioni. Un oggetto di dati ha attributi sotto più FC: XCBR1.Pos ha stVal, q e t sotto ST, e ctlModel sotto CF. Un client che chiede Pos.stVal sotto MX riceve un errore, non un valore. Il tutorial client di MZ Automation mostra letture con FC espliciti.

Ogni stato e valore misurato ha una qualità (q) e una marca temporale (t). La qualità comprende validità (buona, non valida o dubbia), bit di dettaglio come oldData e overflow, sorgente (processo o sostituita), flag test e flag operatorBlocked. Un relè in prova può inviare uno stVal normale con q.test impostato. Un gateway che inoltra stVal ma scarta q fa passare quel valore di prova come reale.

Un dataset è un elenco ordinato di oggetti o attributi di dati, ciascuno con il suo FC. Report e GOOSE inviano dataset, non singoli punti. Ricava modello e dataset dall'IED configurato o dal suo file CID, non da un prodotto simile o da un firmware precedente.

I servizi di comunicazione

GOOSE e valori campionati non usano IP: una connessione MMS funzionante non prova nulla su di essi. IEC TR 61850-90-5 definisce versioni instradabili (R-GOOSE e R-SV) su UDP/IP per l'uso su vasta area. GOOSE e valori campionati ordinari restano in una sola rete di livello 2. IEC TR 61850-90-4 fornisce indicazioni sulla progettazione delle LAN di sottostazione.

Report MMS

Un blocco di controllo dei report invia un dataset a un client. Un blocco con buffer (BRCB, FC BR) conserva gli eventi mentre il client è disconnesso. Un blocco senza buffer (URCB, FC RP) li scarta. Il client imposta TrgOps per scegliere gli eventi di attivazione: cambiamento del dato (dchg), cambiamento della qualità (qchg), aggiornamento del dato (dupd), periodo di integrità e interrogazione generale (GI). IntgPd stabilisce il periodo di integrità, che invia l'intero dataset. BufTm stabilisce per quanto tempo il server raccoglie i cambiamenti prima di inviare un report. Il client scrive RptEna per ultimo, per avviare il blocco. Un IED ha un numero fisso di istanze per ogni blocco: assegna un'istanza a ogni client nell'SCD. Due client non devono usare la stessa istanza.

Dopo una riconnessione, il client di un blocco con buffer scrive l'ultimo EntryID ricevuto e poi imposta RptEna. Il server invia quindi le voci successive. Se il buffer si è riempito durante l'interruzione, il report successivo ha BufOvfl impostato. Il client deve allora eseguire un'interrogazione generale per ricostruire il proprio stato. Dimensiona il buffer in base alla frequenza degli eventi moltiplicata per l'interruzione massima prevista. Prova il trabocco: tieni il client disconnesso più a lungo della capacità del buffer, poi verifica che segnali la lacuna ed esegua l'interrogazione.

GOOSE

Un publisher GOOSE invia il proprio dataset come frame multicast a un indirizzo MAC compreso fra 01-0C-CD-01-00-00 e 01-0C-CD-01-01-FF. Il frame ha un APPID da 0x0000 a 0x3FFF e di solito un tag VLAN con priorità 4. IEC 61850-5 richiede un tempo di trasferimento non superiore a 3 ms per messaggi di sgancio tipo 1A nelle classi di prestazione P2 e P3, applicate alla trasmissione. La classe di distribuzione P1 consente 10 ms. Il tempo di trasferimento va dall'applicazione che pubblica a quella che si sottoscrive: comprende quindi l'elaborazione di entrambi gli IED, non solo la rete. Per questo budget GOOSE non usa TCP/IP.

GOOSE non ha acknowledgement. Il publisher ripete invece ogni messaggio. Quando un valore cambia, stNum aumenta e il messaggio parte subito. Le ripetizioni seguono a intervalli brevi che aumentano fino a un battito periodico, entro MinTime e MaxTime dell'elemento GSE nell'SCL. sqNum conta le ripetizioni e riparte a ogni nuovo stNum. Ogni frame porta timeAllowedToLive, il tempo entro cui deve arrivare il frame successivo.

Un subscriber accetta un flusso solo quando GoCBRef, riferimento del dataset e confRev corrispondono alla sua configurazione. Una modifica di configurazione del publisher incrementa confRev. Se il subscriber non viene aggiornato, ignora il flusso e potrebbe mostrare solo una segnalazione diagnostica. Se timeAllowedToLive scade senza un nuovo frame, il subscriber segna il flusso come perso e i suoi ingressi assumono i valori di ripiego configurati. Prova entrambi i casi. Cambia un valore e misura la risposta sul subscriber. Poi scollega il publisher e controlla ripiego e allarme.

I frame dell'edizione 2 portano un bit di simulazione. Un subscriber accetta frame simulati solo quando LPHD.Sim è impostato. LPHD.Sim seleziona i flussi di ingresso simulati; non blocca le uscite di sgancio. I valori di prova possono quindi provocare un'attuazione reale. Prima di iniettarli, un ingegnere qualificato nelle protezioni deve verificare separatamente il blocco delle uscite e l'isolamento secondo la procedura di prova approvata del sito, inclusi i dispositivi a valle. La sola modalità di simulazione non dimostra che l'impianto sia isolato.

Valori campionati

Una merging unit digitalizza i segnali dei trasformatori di corrente e tensione presso l'apparecchiatura di manovra e li pubblica come valori campionati, verso indirizzi MAC da 01-0C-CD-04-00-00 a 01-0C-CD-04-01-FF, con APPID da 0x4000 a 0x7FFF. La linea guida di implementazione UCA IEC 61850-9-2LE fissava 80 campioni per ciclo per la protezione, cioè 4000 Hz su una rete a 50 Hz, e 256 campioni per ciclo per la misura. IEC 61869-9 sostituisce queste frequenze con valori fissi: 4800 Hz per protezione e misura generale e 14 400 Hz per qualità dell'energia.

Ogni campione porta un contatore, smpCnt, che riparte ogni secondo. Le funzioni che confrontano correnti da più merging unit, come la protezione differenziale di sbarra, richiedono che tutte usino lo stesso riferimento temporale. IEC/IEEE 61850-9-3 definisce il profilo Precision Time Protocol (PTP) per le aziende elettriche. Monitora lo stato di sincronizzazione di ogni merging unit e definisci che cosa fa il relè se una di esse lo perde.

File SCL

Registra lo strumento che ha prodotto ogni file, edizione, data e revisione della configurazione. L'elemento radice SCL indica la versione dello schema: i file dell'edizione 2 riportano la versione 2007 con una lettera di revisione e quelli dell'edizione 2.1 riportano 2007B4. Uno strumento o client dell'edizione 1 può rifiutare un file dell'edizione 2 o ignorare le classi di nodi logici e gli oggetti di dati aggiunti dall'edizione 2.

Decidi quale strumento è responsabile dell'SCD. Una modifica fatta nello strumento proprio di un IED e non ritornata tramite un IID va persa alla successiva esportazione dell'SCD. Il fatto che un file venga importato senza errori non prova ancora che sottoscrizioni e report funzionino.

Confronto fra IEC 61850 e IEC 60870-5-104

Molte aziende elettriche usano entrambi: IEC 61850 dentro la sottostazione e IEC 104 dal gateway di sottostazione al centro di controllo. La guida IEC 101 e 104 descrive il lato telecontrollo.

Mappare valori IEC 61850 su IEC 104

Un'attività di integrazione comune riguarda un gateway di sottostazione che legge gli IED su MMS e serve il centro di controllo su IEC 104. IEC TS 61850-80-1 è la linea guida per questa mappatura. Prendi FDR1LD0/MMXU1.TotW dall'esempio sopra. Il gateway riceve mag.f, q e t in un report. Invia un valore misurato a virgola mobile corta con marca temporale (tipo 36, M_ME_TF_1) all'indirizzo dell'oggetto informativo concordato.

Per la qualità serve una decisione su ogni flag. Il descrittore di qualità IEC 104 ha cinque flag. Una mappatura tipica invia la validità non valida a IV, oldData a NT, una sorgente sostituita a SB, operatorBlocked a BL e overflow a OV. Un valore dubbio senza questi dettagli non ha un equivalente esatto: concorda se diventa IV o NT. Il descrittore non ha un flag test, quindi decidi se il gateway inoltra valori con q.test impostato.

Anche la marca temporale richiede una decisione. Il tempo IEC 61850 è UTC, con un campo di qualità del tempo che segnala guasto dell'orologio e perdita di sincronizzazione. CP56Time2a ha risoluzione al millisecondo e un bit di invalidità; i due estremi devono concordare se porta UTC o ora locale. Quando la sorgente segnala che il proprio orologio non è sincronizzato, imposta il bit di invalidità nella marca temporale. La guida a marche temporali e qualità descrive il lato IEC 104.

Prova la mappatura dall'IED al display del centro di controllo. Sostituisci un valore nell'IED e controlla SB nel centro di controllo. Metti l'IED in modalità test e controlla che cosa fa il gateway con quel valore.

Controllo

IEC 61850-7-2 definisce il controllo diretto e la selezione prima dell'esecuzione (SBO), entrambi con sicurezza normale o avanzata. L'attributo CF ctlModel indica quale usa un oggetto. Con SBO e sicurezza avanzata, il client scrive SBOw (selezione con il valore previsto) e poi Oper. Una risposta positiva a Oper significa solo che l'IED ha accettato il comando. L'IED invia poi una CommandTermination. È positiva quando l'apparecchiatura raggiunge la posizione finale e negativa, con AddCause, se non la raggiunge prima del timeout di azionamento.

I modelli con sicurezza normale non inviano CommandTermination: il client deve osservare XCBR1.Pos.stVal. Pos è un punto doppio: stato intermedio, spento, acceso o stato errato. Considera fallita una manovra se l'interruttore resta nello stato intermedio oltre il suo tempo di spostamento.

Concorda modello di controllo, autorità (locale o remota e categoria dell'originatore orCat), interblocchi, timeout e feedback prima di qualsiasi scrittura. La guida al controllo locale elenca i casi di guasto da provare per ogni comando.

Sicurezza

IEC 62351 specifica la sicurezza per IEC 61850. La parte 3 applica TLS ai profili TCP/IP; la parte 4 copre MMS, la parte 6 GOOSE e valori campionati, la parte 8 definisce il controllo degli accessi basato sui ruoli e la parte 9 riguarda la gestione delle chiavi. Un dispositivo che supporta IEC 61850 potrebbe non implementare nessuna di queste parti. L'autenticazione GOOSE aggiunge elaborazione entro il budget di tempo di trasferimento dello sgancio: chiedi i dati di temporizzazione del fornitore prima di attivarla su un percorso di sgancio. Chiedi quali funzioni di sicurezza sono disponibili e attive e chi gestisce certificati e chiavi.

Che cosa chiedere prima di un'integrazione

• Modello dell'IED, firmware ed edizione IEC 61850 del suo modello e dei file SCL.
• Servizi richiesti: letture MMS, report, controllo, pubblicazione o sottoscrizione GOOSE, valori campionati.
• File ICD e IID o SCD se l'IED è già inserito in un sistema.
• Dataset, istanza del blocco di controllo dei report per ogni client e dimensioni dei buffer.
• Per GOOSE e valori campionati: APPID, indirizzo MAC di destinazione, ID e priorità VLAN, confRev, MinTime e MaxTime.
• Sorgente temporale e sua precisione su ogni IED.
• Come qualità e tempo arrivano alla registrazione finale.
• Funzioni di sicurezza attive e progetto della rete.

Un certificato di conformità IEC 61850-10 copre servizi e modello nell'ambito di prova dichiarato, per una versione del firmware. Non sostituisce l'accettazione in sito della configurazione, della rete e dei casi di guasto.

Sottostazioni e sistemi EpiSensor

Edge non include un'interfaccia IEC 61850. I sistemi EpiSensor non partecipano alle reti IEC 61850 di sottostazione. Misurano e controllano il sito del cliente a valle del punto di connessione: misura a livello di circuito con il monitor elettrico ZEM e risposta alla sottofrequenza in 100 ms con il controller di demand response ZDR.

Un grande sito può avere una propria sottostazione ad alta tensione, con relè che segnalano al gestore di rete tramite IEC 61850 o IEC 104. Se un progetto richiede uno di quei valori in Edge, una soluzione è un convertitore di protocollo che lo esponga tramite un protocollo leggibile da Edge, come Modbus TCP. I registri Modbus non portano qualità né marca temporale: concorda come il convertitore segnala un valore non valido o obsoleto prima di usarlo.