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Ethernet in Schaltanlagen

Bild 1. Ethernet-Topologie mit Ringstruktur

Bild 2. Managed Ethernet-Switch von Harting

Für die Kommunikationsstrukturen der Energieversorger wird zunehmend Ethernet und die IEC 61850 genutzt. Die internationale Normenreihe sorgt für intelligente Vernetzung im Bereich der so genannten Intelligent Electronic Devices (IED) und der Netzleittechnik.

Mit der Normenreihe IEC 61850 bringt man im Allgemeinen ein Übertragungsprotokoll für die Schutz- und Leittechnik in elektrischen Schaltanlagen der Mittel- und Hochspannungstechnik in Verbindung. Jedoch beinhaltet der Standard deutlich mehr als eine Konfigurationssprache oder die Festlegungen für die Kommunikation in Schaltanlagen. Das Protokoll der IEC 61850 basiert auf dem TCP/IP-Übertragungsprotokoll. Die Manufacturing Messaging Specification (MMS) definiert die klassische Client-Server-Kommunikation. Zusätzlich werden zwei weitere Standards für die echtzeitfähige Kommunikation beschrieben:
• Übertragung schneller Abtastwerte gemäß Norm IEC 61850-9-1,
• Übertragung von Goose-Nachrichten gemäß Norm IEC 61850-8-1.

Beide Normen basieren auf dem Standard-Ethernet-Protokoll. Die Datenstruktur der IEC 61850 ist jedoch objektorientiert. Der Name eines „Objekts“ wird zur eindeutigen Identifikation im Klartext übermittelt. Im Ethernet-Telegramm sind neben dem Namen auch Informationen wie die Struktur der Objekte enthalten.
Goose steht für „Generic Object Oriented Substation Event“ und ist ein echtzeitfähiges Netzwerkprotokoll zur Steuerung von Geräten oder Anlagen über Ethernet. Die Goose-Telegramme werden per Multicast ins Netzwerk gesendet. Multicast bedeutet, dass alle Teilnehmer des lokalen Netzwerks die Statusmeldung erhalten. Die Goose-Statusmeldungen können zeitkritische Events oder Messwerte sein. In einem solchen System können durchaus mehrere tausend Telegramme pro Sekunde versendet werden. Diese enorme Menge an Telegrammen pro Sekunde in einem Netzwerk lassen sich in einem Ethernet-Netzwerk kanalisieren, trennen und auch priorisieren. Dies hat den Vorteil, dass systembedingte Verzögerungen reduziert werden. Für das Kanalisieren der Datentelegramme nutzt man die Funktion der virtuellen LAN (VLAN). VLAN teilen physikalische Netzwerke in logisch getrennte Netzwerke auf. Jedes VLAN ist eine in sich geschlossene Domäne. Unterschiedliche VLAN werden durch VLAN-ID voneinander abgetrennt. Eine Priorisierung (Quality of Service –QoS) von Datentelegrammen ist notwendig, um eine geringe Latenzzeit oder eine hohe Sicherheit bei hoher Netzwerklast zu garantieren.

Redundanzen bedeutet Sicherheit
Ethernet-Topologien können individuell an die unterschiedlichen Anforderungen angepasst werden. Im Vergleich zu früheren Topologien, wie die Sternstruktur, in der schon ein Fehler oder Defekt ein Netzwerk erheblich beeinträchtigen konnte, werden heute vorrangig Ringstrukturen oder Topologien mit RSTP (Rapid Spanning Tree Protokoll) realisiert (Bild 1). DieRSTP-Funktion gewährleistet eine Interoperabilität zwischen Ethernet Switches verschiedener Hersteller (Bild 2). Durch die Ring- und RSTP-Strukturen lässt sich eine sichere Redundanz realisieren, in der Fehler oder Defekte einzelner Baugruppen sich nicht auf das gesamte System auswirken.

Zeitsynchronisation nach IEEE 1588
Bei einer Messwerterfassung in einem System sind eine Durchgängigkeit und eine korrekte Reihenfolge der erhaltenen Telegramme (Messwerte) zwingend erforderlich. Durchgängigkeit wird durch die Verfügbarkeit mit der Redundanz eines Systems ermöglicht. Die Reihenfolge der erhaltenen Telegramme kann nur korrekt durch eine zeitliche Einordnung (Zeitstempel) erfolgen. Eine Ethernet-Topologie ist keine Punkt-zu-Punkt Verbindung und auch die Ausdehnung bzw. die Distanzen in einem System können unterschiedlich sein. Lauf- aber auch Latenzzeiten sind in einem Ethernetsystem zu berücksichtigende Faktoren. Daher bleibt unklar, wie lange ein Telegramm unterwegs gewesen ist. Es ist schwierig, mit einem Ethernet-System in Echtzeit Messwerte zu erfassen und auszuwerten. Eine lokale Systemzeit kann diesen Nachteil aufheben. Die Daten erhalten einen Zeitstempel, der die Reihenfolge bestimmt. Zu diesem Zweck müssen alle Teilnehmer in einem Ethernet-Netzwerk synchronisiert werden. Die etablierten Synchronisationsprotokolle NTP und SNTP sind im Allgemeinen zu ungenau. Aus diesem Grund wurde das Synchronisationsprotokoll IEEE 1588 spezifiziert. Die vereinfachte Funktionsweise kann wie folgt beschrieben werden: In dem Netzwerk wird eine vorhandene Uhr als Referenz (Master Clock) ausgewählt. Die Master Clock sendet an die übrigen Uhren (Slave Clock) Synchronisationsmeldungen. Die entstehenden Verzögerungen der Telegramme zwischen Master Clock und jeder Slave Clock werden gemessen, abgeglichen und bei den Meldungen berücksichtigt. Nach dem Abgleich ist gewährleistet, das alle Messwerte den korrekten Zeitstempel haben.

Elektromagnetische Interference (EMI)
Neben den beschriebenen Managed-Funktionen gibt es noch weitere grundlegende Produktanforderungen an Ethernet Switches und auch an die sogenannte Intelligent Electronic Devices (IED). In Schaltanlagen der Mittel- und Hochspannungstechnik sind sämtliche elektrische Baugruppen permanenten magnetischen und elektrischen Feldern ausgesetzt. Diese elektromagnetische Beeinflussung (Elektromagnetische Interference, kurz EMI) kann die Baugruppen in der Funktion beeinträchtigen oder gar zerstören. Neben den EMI-Beeinflussungen können auch Blitzeinschläge, Überspannungen oder elektrostatische Entladungen Fehler oder Defekte verursachen. Der IEC-61850-Standard hat hierfür speziell im Part 3 die Vorgaben bzw. die erforderlichen technischen Parameter beschrieben. Gewisse Umgebungen erfordern eine gewisse Robustheit gegenüber den Beeinflussungen. Die Immunität der Baugruppen gegen die EMI-Beeinflussungen werden unter anderem nach den Normen geprüft, zum Beispiel nach der IEC 61000-4-2, der IEC 61000-4-4, der IEC 61000-4-5 sowie der IEC 61000-4-8.

Fazit
Die durchgängige Nutzung von Ethernet TCP/IP ermöglicht eine einheitliche Kommunikationsplattform von der Leitstelle bis in die Prozessebene. Der Vorteil gegenüber einer direkten Peer-to-Peer (Punkt-zu-Punkt) Verbindung liegt in der Nutzung eines flexiblen und standardisierten Ethernet-Netzwerks.

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Autor: Dipl.-Ing. (FH), Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Carsten Wendt ist Product Manager, Industrial Communication and Power Networks (ICPN) in der Harting Technologiegruppe in Espelkamp.