Stationsautomatisierung auf Basis der IEC 61850

23.09.2020 – Mit dem Übertragungsprotokoll IEC 61850 unterstützt Phoenix Contact Energy Automation die Netzbetreiber bei der Umsetzung ihrer Digitalisierungsprozesse.

Die Geschichte der IEC 61850 begann vor 25 Jahren. 1995 starteten die Normungsarbeiten für den internationalen Standard im Technical Committee TC 57 der International Electrotechnical Commission, das für „Power Systems management and associated information exchange“ verantwortlich ist. Seither beschäftigen sich die IEC TC 57 und deren Arbeitsgruppen aktiv mit der Entwicklung sowie Ergänzungen der Norm. Wie bei der Kommission üblich, gibt es Spiegelgremien, welche die weltweite Erarbeitung von Normen und Standards begleiten. In Deutschland erfolgt dies etwa durch eine Arbeitsgruppe in der DKE (Deutsche Kommission Elektrotechnik, Elektronik Informationstechnik) – der DKE 952 Netzleittechnik.

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IEC 61850 – ein langer Weg vom verabschiedeten Standard bis ins Feld. Bild: PHOENIX CONTACT Energy Automation GmbH

Aufbau von Spezialisten

Über die Jahre hat sich die Norm IEC 61850 in der Energiebranche als Standard etabliert. So wurden die von den Anwendern gewünschten Anforderungen hinsichtlich der Interoperabilität, die in der Edition 1 der IEC 61850 nur bedingt vorhanden waren, in der Edition 2 festgeschrieben und die kontinuierliche Weiterentwicklung vorangetrieben. „Trotz des hohen Reifegrads der Norm findet sie in den verschiedenen Ländern und Regionen der Welt eine unterschiedliche Verbreitung. Im Vergleich zu anderen Ländern wie China, Russland und den USA erweist sich die Anwendung der IEC 61850 in Deutschland als eher verhalten“, erklärt Stefanie Hellberg, Project Engineering bei der Phoenix Contact Energy Automation GmbH.

Die bestehenden Kommunikationsnormen wurden bundesweit bereits auf einem hohen Niveau eingesetzt und der von ihnen eingeräumte Spielraum mit einer Vielzahl eigener Profilierungen genutzt. Als Beispiel sei die Technik rund um die IEC 60870-5-104 genannt, die bei deutschen Herstellern und Netzbetreibern wohl definiert und bestens bekannt ist. Entsprechende Methoden und Prozesse sowie die verwendeten Techniken und Tools gehören zum Arbeitsalltag der Mitarbeiter und haben sich im Betrieb bewährt. Sollen neue Technologien eingesetzt werden, gilt im Industrieumfeld oftmals der Spruch von Mark Twain „Jeder Mensch mit einer neuen Idee ist ein Spinner, bis die Idee Erfolg hat“. Vor diesem Hintergrund sind insbesondere im konservativen Marktumfeld der kritischen Infrastruktur die technischen Vorteile und Erfolge neuer Techniken eindeutig zu beweisen. Gleichzeitig müssen Fachleute – in diesem Fall für die IEC 61850 – aufgebaut werden, weil die betriebsbewährten Techniken ansonsten weiter dominieren würden.

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Neue IEC61850-Fachleute werden konsequent aus- und weitergebildet. Bild: PHOENIX CONTACT Energy Automation GmbH

Umsetzung der Anwenderanforderungen

Ungeachtet der Hürden zeigen sich bei der Umsetzung der neuen IEC 61850 in Deutschland schon Erfolge, wie Volker Knack, Vertical Market Management Energy bei Phoenix Contact Energy Automation, berichtet: „Die langjährige und intensive Arbeit der Experten in den IEC61850-Arbeitskreisen des DKE und FNN trägt langsam Früchte. Zudem gelangen die existierenden Netze und deren Betriebsmittel an ihre Altersgrenzen. Die internationale Energiewende führt darüber hinaus zu einem Umdenken im Hinblick auf die Auslegung und den Betrieb der Netze. Ferner forciert der parallel ablaufende Generationswechsel bei den Ingenieuren die Digitalisierung und damit die Verwendung zahlreicher neuer, innovativer Technologien, wie es sie beispielsweise im Umfeld der IEC 61850 gibt.“

Die Einbindung von Schutzgeräten über das IEC61850-Protokoll in die Stationsautomatisierung stellt ein gutes Beispiel für den steigenden Einsatz und die wachsende Nachfrage dar. Hier könnte der Spruch „Steter Tropfen höhlt den Stein“ passen. Die zunehmende Akzeptanz der Anwender geht mit der konkreten Realisierung ihrer Anforderungen durch die Hersteller einher. Eine applikationsnahe Modellierung und verbesserte Interoperabilität sowie optimierte Engineering-Tools unterstützen die Netzbetreiber dabei, ihre hohe Kompetenz zu nutzen und ein individuelles Engineering in Eigenverantwortung durchzuführen.

Modellierung durch Netzbetreiber oder Dienstleister

Beim Engineering eines Umspannwerks oder einer Netzstation stehen grundsätzlich zwei unterschiedliche Vorgehensweisen zur Wahl: das Bottom-Up- und das Top-Down-Engineering. „Beim Top-Down-Engineering handelt es sich um einen Prozess, bei dem der Netzbetreiber die Modellierung übernimmt. Prinzipiell erweist sich dieser Ansatz als aufwendig. Außerdem sind viel Wissen und Erfahrung notwendig“, konstatiert Stefanie Hellberg. Der Netzbetreiber muss somit über die erforderlichen Experten verfügen, die genügend Projekte und Zeit haben, um sich regelmäßig mit der Thematik zu beschäftigen.

Beim Bottom-Up-Engineering gibt der Netzbetreiber sein Know-how über die eigenen Anlagen und sein Netz in Form von Typisierungen und/oder anderen Vorgaben an den Lieferanten weiter. „Die Fachleute und Ingenieure der Phoenix Contact Energy Automation GmbH können dann zum Beispiel die Anlagenmodellierung und deren Umsetzung in einer vorhandenen Anlage für den Netzbetreiber vornehmen. Besonders für kleinere Netzbetreiber oder Netzbetreiber mit beschränkten Ressourcen zeigt sich dieses Vorgehen als vorteilhaft“, so Stefanie Hellberg weiter.

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Experten von Phoenix Contact in einem Umspannwerk bei der Planung einer neuen Stationsleittechnik. Bild: PHOENIX CONTACT Energy Automation GmbH

Definition von Parametern

Die Erfahrungen aus den zahlreichen von Phoenix Contact Energy Automation ausgeführten Projekten belegen, dass ein hoher Grad an Standardisierung und Typisierung nutzbringend ist. Gerade im Umgang mit IEC61850-Projekten hat sich diese Vorgehensweise als hilfreich herausgestellt. Im Rahmen der Typisierung werden standardisierte Anlagenprofile generiert. Basierend auf den bestehenden Systemen der Netzbetreiber erfolgt anschließend die Definition der Feld- und Funktionstypen. Daraus wird ein Katalog angefertigt, durch den sich die Anlagenmodellierung und -konfiguration effektiver und weniger fehlerbehaftet gestaltet.

Als wichtig in der Anlage erweisen sich die Kommunikationsparameter auf der Stationsebene und die damit verbundenen Adressierungskonzepte. Zu den Kommunikationsparametern gehören die Festlegung eines IP-Adressierungskonzepts, der Server-Client-Beziehungen sowie der Schutzgeräte-Adressen, die für die Integration vergeben werden. Dies sind jedoch nicht die einzigen Parameter, die einer Definition bedürfen. Von der Bestimmung der Signalnamen, technischen Adressen und Typerkennungen über die Zykluszeiten für die Messdatenübertragung bis zu den Datentypen der Schutzgeräte – um einige Punkte zu nennen – müssen feste Regeln vorgegeben werden.

Neben den Kommunikations- und Adressierungskonzepten ist es notwendig, die standardisierten Feldtypen und deren verschiedene Ausprägungen, die zum Einsatz kommen können, festzulegen. Dazu zählen etwa das Leitungs-, Transformator-, Kupplungs-, Erdungs- und Eigenbedarfsfeld sowie Kompensationsanlagen. Jedem aufgeführten Feldtyp muss ein bekannter, also vordefinierter Melde- und Befehlsumfang zugewiesen werden. Außerdem sind vorab die nutzbaren Schutztypen, Verriegelungslogiken, die Verwaltung der Steuerebenen sowie die Vorgabe, wie die Ortssteuerung vorgenommen werden soll, zu bestimmen.

Als weiterer wesentlicher Aspekt ist die Beschreibung und Festlegung der in allen Anlagen erforderlichen Verriegelungskonzepte zu berücksichtigen. Stefanie Hellberg: „Die genaue Spezifizierung und der Ablauf der Verriegelungslogiken müssen für ein einheitliches, strukturiertes und sicheres Engineering modelliert und festgeschrieben werden. Andere Definitionen betreffen die Interaktion des Menschen mit den Systemen und Anlagenteilen.“ Daher gilt es genaue Festlegungen hinsichtlich der folgenden Punkte zu treffen: Nahsteuerbilder, Feldübersichten, Systemdiagnosen, Betriebsprotokoll/Alarmlisten, Verbindungsüberwachung und Anlagentopologie. Die Aufzählung der Festlegungen ist exemplarisch und nicht vollständig, verdeutlicht allerdings schon den erheblichen Umfang und den damit verbundenen Arbeitsaufwand. Ohne die aufgelisteten stringenten Vorarbeiten kann nach Ansicht der Experten der Phoenix Contact Energy Automation kein sinnvolles und wirtschaftliches Engineering für IEC61850-basierte Anlagen erfolgen.

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Standardisierung von Feldtypen, beispielsweise von Transformator-Feldern, zum einfachen und schnellen Engineering. Bild: Bild: PHOENIX CONTACT Energy Automation GmbH

Reduzierung der Komplexität

Aus der Perspektive der Anwender sind bislang nicht sämtliche Hindernisse aus dem Weg geräumt, denn ein robustes und anwenderfreundliches Engineering, ohne die Normen lesen zu müssen, ist noch in der Bearbeitung. Ein smartes IEC61850-Engineering würde einen großen Schritt in diese Richtung bedeuten, ist Volker Knack überzeugt: „Zu nennen ist hier das Planen von bekannten Funktionen in der Anlage, die bereits mit der Verwendung vordefinierter, geprüfter Kommunikationsmuster für eine Anwendungsfunktion verbunden sind. Einmal festlegen und dann immer genauso einsetzen, das muss das Ziel sein.“

Ein solcher Ansatz unterstützt die deutliche Reduzierung der Komplexität. Durch die Nutzung geprüfter Typicals lässt sich die Fehlerwahrscheinlichkeit signifikant senken. Damit einher geht eine erhebliche Verringerung des notwendigen Know-hows in puncto IEC 61850. Die Typicals oder auch vordefinierten Vorlagen, die unter anderem von Lieferanten und Systemhäusern geliefert werden, strukturieren das Engineering und vereinfache die Inbetriebnahme, den Betrieb, die Wartung sowie die Störungsbeseitigung in den Anlagen.

Software EngineeringIEC61850-Systemkonfiguration
Gute Software-Tools sind für das Engineering einer IEC61850-Systemkonfiguration essenziell. Grafik: Bild: PHOENIX CONTACT Energy Automation GmbH

Anreicherung der SCL-Dateien

Bei den bisher abgewickelten Projekten im Bereich der Stationsautomatisierung auf Basis der IEC 61850 haben Anwender und Partner die Anlagen- und IEC61850-Konfiguration mittels streng typisierter Feldvorlagen erstellt und im Ergebnis eine SCL-Datei (Sibelius Chord Diagram Library) als Vorgabe an die Phoenix Contact Energy Automation übergeben. „Die SCL-basierte Anlagenbeschreibung kann bei großen Applikationen durchaus mehrere 100.000 Zeilen lang sein. Dabei muss ihr Inhalt die Anlage vollständig und fehlerfrei beschreiben“, betont Stefanie Hellberg. Eine erweiterte Software-Unterstützung, die beim Netzbetreiber zur Erstellung der SCL-Dateien zum Einsatz kommt, könnte den aufwendigen Prozess erleichtern und beschleunigen sowie die Qualität erhöhen.

Die beschriebene Typisierung durch Phoenix Contact Energy Automation fördert diesen Ansatz. Mit den Tools des Unternehmens sind die SCL-Daten um zusätzliche Planungsdaten/-informationen angereichert worden. „Auf diese Weise lassen sich vollständige Anlagenkonfigurationen einschließlich der individuellen Geräteparametrierung nahezu automatisiert realisieren“, resümiert Volker Knack.

IEC61850-Tool-Suite Phoenix Contact Energy Automation
Die IEC61850-Tool-Suite von Phoenix Contact Energy Automation steigert Effizienz und Qualität. Grafik: Bild: PHOENIX CONTACT Energy Automation GmbH

Zusammenfassend ist somit festzustellen, dass die Kunden von Phoenix Contact Energy Automation schon gute Erfahrungen mit einer strikten Typisierung und einem Top-Down-Engineering gemacht haben. Dazu müssen die obigen Vorarbeiten hinsichtlich der Standardisierung und Typisierung jedoch vorab erfolgt sein. Die Verwendung der IEC 61850 treibt folglich Innovationen und beschleunigt die Digitalisierung in den Energienetzen.

Phoenix Contact Energy Automation GmbH
Stefanie Hellberg, Volker Knack
energy.automation@phoenixcontact.com
42553 Velbert
www.phoenixcontact.de/energie

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