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Daten nach IEC 61850 erfassen, übertragen und ausgeben

Die IEC 61850 ermöglicht weltweit eine einheitliche Kommunikation in der Energietechnik

Die IEC 61850 ermöglicht weltweit eine einheitliche Kommunikation in der Energietechnik

01  IO-Systeme dienen unter anderem der Überwachung und Steuerung von Transformatoren

01  IO-Systeme dienen unter anderem der Überwachung und Steuerung von Transformatoren

02  In Niederspannungs-Verteilungen fallen viele Signale an, die über IEC 61850 übertragen werden müssen

02  In Niederspannungs-Verteilungen fallen viele Signale an, die über IEC 61850 übertragen werden müssen

03  Das für die Kommunikation gemäß IEC 61850 entwickelte IO-System Axioline F wird durch passende Infrastruktur-Komponenten ergänzt

03  Das für die Kommunikation gemäß IEC 61850 entwickelte IO-System Axioline F wird durch passende Infrastruktur-Komponenten ergänzt

Mit der Norm IEC 61850 ist erstmalig ein Standard für die Energietechnik geschaffen worden, der weltweit einheitliche Kommunikationslösungen ermöglicht. Das IO-System Axioline F von Phoenix Contact unterstützt den Anwender in diesem Umfeld bei der Erfassung, normkonformen Weiterleitung und Ausgabe entsprechender Daten.

International werden derzeit im Bereich der Energiewirtschaft noch viele unterschiedliche Übertragungsstandards verwendet. Diese Situation stellt die Hersteller energietechnischer Anlagen vor die Herausforderung, den Datenaustausch in ihren Lösungen an das jeweilige Land anzupassen. Abhilfe schafft die IEC 61850. Neben der Definition des Kommunikationsprotokolls zielt die Norm im Wesentlichen auf die Sicherstellung der Hersteller-Unabhängigkeit und damit verbunden die Interoperabilität von Geräten verschiedener Produzenten ab. Aus diesen Gründen wird die IEC 61850 zukünftig der Standard für alle Anlagen der Energietechnik sein.

Objektorientiertes Datenmodell
Da die Kommunikation der IEC 61850 objektorientiert aufgebaut ist, kommt den verwendeten IO-Systemen eine besondere Aufgabe zu. Die IO-Signale werden spezifischen logischen Knoten, den Logical Nodes, zugeordnet und als ein gesamtes Objekt übertragen. Dadurch ist es möglich, komplexe Vorgänge und Geräte für sämtliche Teilnehmer im Kommunikationsnetz verständlich zu beschreiben. Weil der Engineering-Prozess ebenfalls eindeutig in der Norm festgelegt ist, kann der Anwender auf vordefinierte Funktionseinheiten zurückgreifen, die im hierarchischen Datenmodell in Form einer lesbaren Textdatei beschrieben sind. Diese SCL-Dateien (Substation Configuration Language) bilden die Grundlage für ein vereinfachtes Anlagen-Engineering. Erstellt werden die Konfigurationsdateien durch Engineering-Tools unterschiedlicher Hersteller. Auch hier greift der Gedanke der Interoperabilität und Herstellerunabhängigkeit, indem keine Festlegung auf ein spezielles Tool notwendig ist.
Eine weitere Eigenschaft der Datenübertragung gemäß IEC 61850 betrifft die Zeitstempelung. Jedes Ereignis wird mit einem Zeitstempel versehen, sodass nachvollzogen werden kann, wann es aufgetreten ist. Damit die ­internen Uhren aller Geräte im System mit möglichst geringer Abweichung voneinander laufen, müssen sie mit einem Zeitserver – zum Beispiel über das Protokoll SNTP (Simple Network Time Protocol) – synchronisiert werden.

Flexibler Systemaufbau
Zur optimalen Umsetzung der oben geschilderten Anforderungen kommt dem flexiblen Aufbau des IO-Systems eine besondere Bedeutung zu. Diese Flexibilität ergibt sich bei Axioline F von Phoenix Contact beispielsweise dadurch, dass die Klemmstellen den Attributen der IEC 61850 einfach über das Web-Interface zugewiesen werden. Alternativ kann dies ebenso über eine Textdatei erfolgen, die – wie sämtliche andere Konfigurationsdateien – über File Transfer auf dem Buskoppler ­abgespeichert wird.
Bei der Auswahl der verschiedenen IO-Module bietet Axioline F ebenfalls ein großes Spektrum an Modulen für digitale und analoge Ein- und Ausgänge sowie für die Temperaturmessung. Speziell für den Bereich der Energie­technik stehen Module mit einer ­Stoßspannungsfestigkeit von 5 kV zur Verfügung, die man ohne weitere Maßnahmen an jeder beliebigen Stelle des Systems einsetzen kann.

Betrieb ohne Programmierung
Zum Betrieb des IO-Systems ist keine Programmierung erforderlich. Die standardisierten Konfigurationsdateien der IEC 61850 – SCD (Substation Configuration Discription) oder CID (Configured IED Description) – enthalten bereits alle benötigten Informationen. Hier wird zudem definiert, über welches Protokoll die IO-Station kommunizieren soll. Das kann sowohl MMS (Manufacturing Messaging Specification) für den Datenaustausch mit dem Leitsystem als auch die schnelle, Event-gesteuerte Goose-Übertragung (Generic Object Oriented System Event) zur direkten Weiterleitung von Informationen zwischen den Endgeräten sein. Via Goose werden zeitkritische Signale ohne Umweg über das Leitsystem schnellstmöglich an sämtliche Teilnehmer übertragen.
Für Axioline F ist es unerheblich, mit welchem Tool die Konfigurationsdatei erstellt worden ist. Über das Web-Interface sind lediglich wenige Einstellungen zu den verwendeten Dateien vorzunehmen. Das komplette Engineering des IO-Systems kommt also ohne besondere Tools aus. Falls sich während der Inbetriebnahme oder später im laufenden ­Betrieb des Systems der Bedarf nach zusätzlichen oder geänderten IO-Signalen ergeben sollte, lässt sich Axioline F ­jederzeit individuell erweitern oder anpassen.

Normkonforme Interoperabilität
Da sich das IO-System interoperabel gemäß der IEC 61850 verhält, ist es in der Lage, Daten mit den Leitsystemen ­unterschiedlicher Hersteller auszutauschen. Ein Zertifikat der Prüfstelle Kema bescheinigt Axioline F die normkon­forme Kommunikation gemäß IEC 61850. Die Interoperabilität mit verschiedenen Leitsystemen spielt dann eine wichtige Rolle, wenn ein in sich abgeschlossener Anlagenteil – beispielsweise ein Hochspannungs-Transformator – an unterschiedliche Anwender geliefert werden soll. Dies ist wichtig, weil das genutzte Leitsystem in derartigen Fällen häufig unbekannt ist (Bild 1).
Bei Hochspannungs-Transformatoren treten vielfältige Signale auf, die speziell auf die Funktion des jeweiligen Transformators abgestimmt sind. Neben der Überwachung von Füllstand und Temperatur des Isolationsmaterials ist die Bildung von Wasserstoff als Indikator für einen Kurzschluss zu kontrollieren. Außerdem wird die gesamte Kühlung des Transformators geregelt. Dazu gehört die Überprüfung aller Lüfter und Pumpen. Darüber hinaus ist die Temperatur der einzelnen Wicklungen zu messen, sodass das Entstehen von Hotspots überwacht wird. Und schließlich dient die Ansteuerung eines Stufenstellers zur Anpassung der Ausgangsspannung an die Lastsituation. Andere unspezifische Signale werden über generische logische Knoten erfasst. Hierunter fällt zum Beispiel die Kontrolle der Hilfsspannungen.

Vielfältige Einsatzbereiche
Die Verbesserung der Energieversorgung stellt neue Anforderungen an die Leit- und Automatisierungstechnik der Kraftwerke, um für eine geregelte Auslastung der Anlage zu sorgen. Das gilt sowohl für Neubauprojekte als auch für die Modernisierung bestehender Anwendungen. Die Aufnahme der Wandtemperatur an den Kesselrohren eines Kraftwerks erweist sich als gute Möglichkeit zur Sicherstellung der optimalen Befeuerung des Kessels. In diesem Umfeld müssen zahlreiche Temperaturen überwacht werden. So lassen sich abweichende Betriebsparameter erkennen und drohende Kesselschäden rechtzeitig verhindern.
Mittel- und Niederspannungs-Schaltanlagen im Kraftwerks-Eigenbedarf sowie in industriellen Verteilungen sind ebenfalls durch ein hohes Aufkommen an IO-Signalen gekennzeichnet. Hier müssen Sammelschienen, Kuppelfelder und Abgänge kontrolliert und geschaltet werden. Diesem Zweck dient die Erfassung der Zustände und unter Umständen auch die Schaltung der Leistungsschalter. Eine weitere Aufgabe liegt in der Aufnahme der Spannungen und Ströme der Sammelschienen und Abgänge sowie deren Meldung an das Leitsystem (Bild 2).

Fazit
Die IEC 61850 hat sich als internationaler Standard für sämtliche Ebenen der elektrischen Energieversorgung ­etabliert. In diesem Umfeld unterstützt das IO-System Axioline F durch einen schnellen Datenaustausch über das Goose-Protokoll sowie die Kommunikation mit der Leitwarte via MMS-Standard. Es zeichnet sich ferner durch einen robusten Betrieb mit einer hohen Stoßspannungsfestigkeit sowie die einfache Handhabung während des Engineering und der Inbetriebnahme aus (Bild 3). (no)

Dipl.-Ing. (FH) Harald Grewe, Market Management I/O Systems, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont.hgrewe@phoenixcontact.com

Dipl.-Ing. (FH) Harald Grewe, Market Management I/O Systems, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont.hgrewe@phoenixcontact.com