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Kleinsteuerung unterstützt die IEC 61850

01 Die Energiewende mach es notwendig, den Energiefluss feingranular zu messen und zu steuern

01 Die Energiewende mach es notwendig, den Energiefluss feingranular zu messen und zu steuern

02 Der Buskoppler AXL F BK SAS lässt sich flexibel um stoßspannungsfeste IO- sowie weitere Standard- und Funktionsmodule ergänzen

02 Der Buskoppler AXL F BK SAS lässt sich flexibel um stoßspannungsfeste IO- sowie weitere Standard- und Funktionsmodule ergänzen

03 Eine SD-Karte schaltet das IEC-61850-Feature für die Axiocontrol-Steuerung AXC 1050 frei und macht damit die entsprechenden Funktionen zugänglich

03 Eine SD-Karte schaltet das IEC-61850-Feature für die Axiocontrol-Steuerung AXC 1050 frei und macht damit die entsprechenden Funktionen zugänglich

04 Darstellung der Vernetzung von IED und Leittechnik auf Basis des MMS- und Goose-Protokolls

04 Darstellung der Vernetzung von IED und Leittechnik auf Basis des MMS- und Goose-Protokolls

05 Applikationsbeispiel einer Blockanlage mit zwei Sammelschienen und einer Umschalteinrichtung, in der Geräte von Phoenix Contact eingesetzt werden

05 Applikationsbeispiel einer Blockanlage mit zwei Sammelschienen und einer Umschalteinrichtung, in der Geräte von Phoenix Contact eingesetzt werden

Mit der IEC 61850 ist ein Standard für die Energietechnik entwickelt worden, der international einheitliche Kommunikationslösungen ermöglicht. Die Axiocontrol-Steuerung AXC 1050 von Phoenix Contact verbindet die Datenübertragung gemäß IEC 61850 nun mit der Programmierbarkeit nach IEC 61131. Somit können die Daten IEC-61850-konform erfasst, weitergeleitet und ausgegeben werden. Darüber hinaus lassen sie sich im Umfeld der IEC 61131 verarbeiten und auswerten (Bild 1).
Die Energiewirtschaft steht derzeit weltweit vor der Herausforderung, den Energiefluss feingranular zu messen und zu steuern. Die klassischen Strukturen, die auf einer zentralen Energieerzeugung in einem regionalen Kraftwerk basieren, sind heute veraltet und unterstützen die notwendige Energiewende nicht. Diese erfordert, dass regenerative Energiequellen in den Fokus der Energieversorger rücken, was unter anderem durch hohe Umweltauflagen erreicht werden soll. Doch nicht nur die von großen Solar-, Wind- und Wasserkraftwerken generierte Energie ist intelligent zu verteilen. Der Strom, der von den auf heimischen Dächern installierten Solaranlagen gewonnen wird, muss ebenfalls den Weg zum Verbraucher finden.
Vereinfachtes Engineering durch lesbare Textdateien
Die IEC 61850 [1] zeichnet sich durch eine objektorientierte Kommunikation aus, die das jeweils benötigte IO-System jedoch vor eine Herausforderung stellt. Denn jedem IO-Signal sind spezifische logische Knoten – die sogenannten Logical Nodes – zugeordnet. Übertragen werden allerdings stets die gesamten Objekte, die den logischen Knoten beinhalten. Auf diese Weise lassen sich komplexe Vorgänge und Geräte für alle im Kommunikationsnetz befindlichen Teilnehmer verständlich beschreiben. Da auch der Engineering-Prozess 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.
Zur Erstellung solcher Konfigurationsdateien können die Engineering-Tools unterschiedlicher Hersteller verwendet werden. Des Weiteren spezifiziert die IEC 61850 die Zeitstempelung bei der Datenübertragung. Jedes auftretende Ereignis erhält einen Zeitstempel, damit sich seine Ursache nachvollziehen lässt. Dabei wird eine möglichst geringe Abweichung der Geräte im Netzwerk angestrebt. Als Lösung dieser Aufgabenstellung wäre ein Zeitserver denkbar, der beispielsweise über das SNTP-Protokoll (Simple Network Time Protocol) jedes Gerät im Netzwerk auf die gleiche Uhrzeit synchronisiert.
Umfassendes Produktspektrum für viele Funktionen
Die IEC 61850 legt weit mehr als lediglich die geschilderten Anforderungen fest. Um sämtlichen Ansprüchen gerecht zu werden, bedarf es eines vielfältigen IO-Systems. Das IO-System der Produktfamilie Axioline F von Phoenix Contact bietet die notwendige Flexibilität. Neben seiner Robustheit, Schnelligkeit und Einfachheit stellt es ein umfassendes Produktspektrum zur Verfügung, das nahezu jede Funktion abdeckt. Als Beispiel sei die Zuweisung der Klemmstellen für die IEC-61850-Attribute über das Webinterface genannt. Die Verdrahtung einer Anlage muss also nicht angepasst werden, wenn sich die Funktion einer Klemmstelle ändert. Entsprechende Adaptionen können mit einem beliebigen Texteditor oder dem IED Configurator von Phoenix Contact vorgenommen werden. Die generierten Dateien lassen sich dann über den File Transfer auf die Steuerung oder den Buskoppler laden. Zur Erfüllung der in der IEC 61850 aufgeführten EMV-Anforderungen sind spezielle Module mit einer Stoßspannungsfestigkeit von 5 kV erhältlich, die sich ohne weitere Maßnahmen an jeder beliebigen Stelle des IO-Systems einsetzen lassen.
Das IO-System Axioline F muss nicht zwangsläufig programmiert werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, den Buskoppler AXL F BK SAS als Zugang zum System zu nutzen (Bild 2). Er wird über das Webbased Management konfiguriert und setzt somit keine weiteren Programmierkenntnisse voraus. Außerdem erlaubt der Standard die Konfiguration auf Basis eines Texteditors. Eine andere Option stellt der IED Configurator dar. Mit ihm ist die Konfiguration des Systems einfach, übersichtlich und schnell durchführbar.
SD-Karten-basierte Freischaltung der IEC-61850-Features
Doch was ist zu tun, wenn die Datenübertragung allein nicht ausreicht? In diesem Fall bietet sich die Axiocontrol-Steuerung AXC 1050 an (Bild 3). Dabei handelt es sich um eine Kleinsteuerung mit hoher Leistungsfähigkeit und Flexibilität. Eine SD-Karte schaltet das IEC-61850-Feature für den Controller frei und macht damit die benötigten Funktionen zugänglich. Für den Datenaustausch mit dem Leitsystem stehen zwei Protokolle zur Verfügung: MMS (Manufacturing Messaging Specification) sowie die schnelle eventgesteuerte Goose-Übertragung (Generic Object Oriented System Event) zur direkten Weiterleitung von Informationen zwischen den Endgeräten. Zeitkritische Signale werden folglich via Goose-Protokoll ohne Umweg über das Leitsystem an alle Teilnehmer kommuniziert (Bild 4). Zur Konfiguration der Ports und Protokolle lässt sich der bereits genannte IED Configurator verwenden.

06 Der Buskoppler AXL F BK SAS lässt sich einfach per Webbased-Management konfigurieren

06 Der Buskoppler AXL F BK SAS lässt sich einfach per Webbased-Management konfigurieren

Der AXC 1050 vereint also die Welten der IEC 61131 [2] und IEC 61850 in einem Gerät. Der daraus resultierende Vorteil liegt auf der Hand: Die Steuerungseinheiten können jetzt dezentralisiert werden. Der Anwender kann somit ein Programm in IEC 61131 schreiben und Daten aus verschiedenen Protokollen kombinieren. Zum Beispiel lassen sich die Daten eines Messgebers via Modbus an den AXC 1050 senden, der sie verarbeitet und anschließend via MMS- oder Goose-Protokoll an die Leitwarte oder die anderen Netzwerkteilnehmer überträgt. Als weiterer Anwendungsfall kann ein Schließerkontakt über den Buskoppler AXC F BK SAS und den Axiocontroller AXC 1050 gesteuert und überwacht werden (Bild 5). Die Energiemessung erfolgt über ein Messgerät der Produktfamilie Empro von Phoenix Contact, das die Daten dann an die IED – den Buskoppler und die Steuerung – weitergibt. Die Kommunikation wird horizontal über Goose und vertikal per MMS realisiert.
Spezifische Konfiguration jedes IED
Bei der Erstellung einer entsprechenden Applikation fühlen sich die Protagonisten beider Welten zu Hause. Der IEC-61131-Programmierer kann sein Programm in der gewohnten Weise schreiben. Ist die komplette Applikation generiert worden, müssen lediglich die Übergabevariablen definiert werden, die den Datenaustausch mit der IEC-61850-Anwendung übernehmen. Danach wird das Programm auf den AXC 1050 geladen und der Programmierer hat seine Aufgabe erledigt (Bild 6).
Nun kommt der IEC-61850-Experte zum Einsatz. Er lädt die Applikation in den IED Configurator, wo er die IED (Intelligent Electronic Device) je nach Anforderung benennt und die IO-Struktur anlegt. Jedes IED lässt sich einzeln konfigurieren. Zu diesem Zweck stehen logische Knoten (Logical Nodes), die normenkonform vordefiniert sind, zur Verfügung. Reicht das Spektrum an Logical Nodes nicht aus, kann der IEC-61850-Experte selbst logische Knoten anlegen. Der IED Configurator unterstützt hier die IEC-61850-Versionen der Jahre 2003 und 2007. Nachdem die Logical Nodes erstellt sind, können Datasets generiert werden, die sich zur sinnvollen Bündelung der Daten eignen. So lassen sich zusammenhängende Ereignisse nutzbringend miteinander verknüpfen.
Nach der Festlegung der Datasets werden die Übertragungswege definiert. Dabei erweist sich die Kommunikationsstruktur als wichtiger Punkt: Welcher Teilnehmer soll die Daten empfangen? Wann hat dies zu geschehen und was ist der Auslöser für die Datenübertragung? Abhängig von der Beantwortung dieser Fragen werden den Protokollen anschließend die Dataset zugeordnet.
Flexibler Datenaustausch mit verschiedenen Leitsystemen
Das Mapping verbindet die IEC-61131- und die IEC-61850-Welt miteinander. Dazu muss klar sein, welches Protokoll die einzelnen Datasets nutzen. Daher werden die im Engineering-Tool PC Worx angelegten Übergabevariablen im IED Configurator angezeigt. Sie müssen dann nur noch mit den Variablen in den Datasets verknüpft und die Konfiguration danach auf die Steuerung geladen werden. Beim Download der Konfiguration erfolgt ein Plausibilitätstest. Ist dieser erfolgreich absolviert, wird die Konfiguration auf die Steuerung gespielt. Der AXC 1050 bootet neu und die Applikation startet.
Die auf dem AXC 1050 laufende Firmware wurde gemäß IEC 61850 implementiert. Auf diese Weise ist die Steuerung in der Lage, Daten mit den Leitsystemen unterschiedlicher Hersteller auszutauschen. Dieser Interoperabilität kommt in dem Fall eine wesentliche Bedeutung zu, sofern ein in sich abgeschlossener Anlagenteil – beispielsweise ein Hochspannungstransformator – an verschiedene Anwender ausgeliefert werden soll. Das beim jeweiligen Kunden verwendete Leitsystem ist nämlich oftmals nicht bekannt.
Fazit
Die IEC 61850 zeigt sich als wichtiger Schritt, um die Energiewende voranzutreiben. Aufgrund des großen Interesses am Standard wurde er im Jahr 2007 gemäß den Anforderungen der Energiewirtschaft überarbeitet. Durch die langjährigen umfassenden Erfahrungen im Bereich Automatisierung und Energie ist Phoenix Contact hier der richtige Partner zur Umsetzung komplexer Themen. Geräte wie der AXC 1050 und der AXL F BK SAS sind auf der Grundlage der Marktanforderungen entwickelt worden. Mit dem IO-System Axioline F steht zudem die notwendige Flexibilität zum individuellen Aufbau beliebiger Applikationen zur Verfügung. Und schließlich vereinfacht der IED Configurator das Engineering sowie den direkten Umgang mit der IEC 61850. (mh)

Literatur
[1] IEC 61850 Communication networks and systems for power utility automation. Genf/Schweiz: Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale
[2] IEC 61131 Programmable controllers. Genf/Schweiz: Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale

Alexander Japs, M.Sc., ist Mitarbeiter im Geschäftsbereich Control Systems bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. ajaps@phoenixcontact.com

Alexander Japs, M.Sc., ist Mitarbeiter im Geschäftsbereich Control Systems bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. ajaps@phoenixcontact.com