Wie arbeiten DNP3 und IEC 61850 in einem modernen Umspannwerk zusammen?

• DNP3 und IEC 61850 dienen sich überschneidenden, aber unterschiedlichen Zwecken. DNP3 ist ein schlankes, ereignisgesteuertes Protokoll, das auf Zuverlässigkeit bei Verbindungen mit geringer Bandbreite oder seriellen Verbindungen ausgelegt ist. IEC 61850 ist ein schneller, datenmodellgesteuerter Standard, der für die Interoperabilität zwischen IEDs verschiedener Hersteller innerhalb des Umspannwerks konzipiert ist.

• Eine Modernisierung erfordert nicht, dass alles auf einmal ausgetauscht wird. Eine Plattform, die beide Protokolle unterstützt, ermöglicht es Energieversorgern, bestehende DNP3-Geräte weiter zu betreiben und gleichzeitig IEC-61850-Geräte einzuführen, während einzelne Felder oder Umspannwerke modernisiert werden.

• Eine einzige Softwareplattform beseitigt die Komplexität, die mit dem Betrieb separater Automatisierungssysteme für DNP3- und IEC 61850-Umgebungen einhergeht, und reduziert so den Engineering-Aufwand, den Schulungsbedarf sowie das Betriebsrisiko.

• zenon unterstützt DNP3-Master- und Outstation-Endpunkte neben nativem IEC 61850-MMS-Client sowie Server und GOOSE für die Integration von Stations- und Prozessbussen und ermöglicht so einen einheitlichen Ansatz für die Umspannwerksautomatisierung über beide Protokollgenerationen hinweg.

DNP3 (Distributed Network Protocol, auch als IEEE 1815 standardisiert) wurde für eine ganz bestimmte Herausforderung entwickelt: zuverlässige Kommunikation über unzuverlässige Verbindungen. Serielle Verbindungen, Funknetze, Einwahlmodems und TCP/IP. DNP3 bewältigt hohe Latenzzeiten, geringe Bandbreite und unterbrochene Verbindungen und gewährleistet gleichzeitig die Datenintegrität durch ereignisgesteuerte Berichterstattung und Integritätsabfragen. Diese Eigenschaften machten es zum dominierenden Protokoll in nordamerikanischen Energieversorgungsunternehmen und in vielen anderen Märkten weltweit.

In der Praxis wird DNP3 auf mehreren Ebenen eingesetzt. Innerhalb der Umspannstation verbindet es Schutzrelais, Zähler und andere IEDs mit lokalen RTUs oder Datenkonzentratoren. Für die Kommunikation in Richtung der übergeordneten Ebene verbindet es Umspannwerks-Gateways mit Leitstellen. Das Protokoll ist nicht auf eine einzige Rolle beschränkt; seine Flexibilität hat zu einer breiten Anwendung sowohl in lokalen als auch in Fernanwendungen geführt.

IEC 61850 befasst sich mit einer anderen Reihe von Anforderungen: dem Datenaustausch zwischen Geräten verschiedener Hersteller innerhalb eines modernen Umspannwerks. Da Schutz- und Steuerungssysteme immer komplexer wurden, benötigte die Branche einen Standard, der es IEDs ermöglichte, mit hoher Geschwindigkeit zu kommunizieren, ein gemeinsames Datenmodell zu nutzen und über einen standardisierten Engineering-Prozess konfiguriert zu werden. IEC 61850 bietet genau das. Es ermöglicht GOOSE-Nachrichten für die Schutzkoordination, Sampled Values für den Austausch digitalisierter Messwerte und MMS für die SCADA-Überwachung und -Steuerung – alles innerhalb des lokalen Netzwerks der Schaltanlage.

Diese beiden Protokolle werden weltweit in Energieversorgungsunternehmen parallel eingesetzt. Viele Unternehmen betreiben heute DNP3-basierte Umspannwerke und führen IEC 61850 bei Neubauten und Modernisierungen ein. Bei der Modernisierung geht es nicht darum, DNP3 vollständig zu ersetzen, sondern eine gemischte DNP3-IEC-61850-Umgebung über den gesamten Lebenszyklus der Anlagen hinweg zu verwalten.

Viele Energieversorger betreiben seit Jahrzehnten DNP3-basierte Netzwerksysteme für Umspannwerke. Ihre Feldgeräte, RTUs, technischen Verfahren und Schnittstellen zur Leitwarte sind auf die Funktionsweise von DNP3 ausgerichtet.

Die Herausforderung entsteht, wenn diese Energieversorger beginnen, IEC 61850 für neue oder modernisierte Umspannwerke einzuführen. IEC 61850-Geräte kommunizieren nach einem grundlegend anderen Modell. Die Daten sind in logischen Knoten mit vordefinierter Semantik strukturiert und nicht mehr als einfache Punktlisten. Der Konfigurationsprozess erfolgt über SCL-Dateien (Substation Configuration Language) anstelle einer manuellen Punktzuordnung. Kommunikationsdienste wie GOOSE und MMS verhalten sich anders als das Master-Outstation-Polling von DNP3.

Die weit verbreitete Annahme – und die Sorge, die die Modernisierung verlangsamt – ist, dass die Einführung von IEC 61850 den Austausch des gesamten Automatisierungssystems bedeutet: neue Geräte, neue SCADA-Software, neue Engineering-Tools, neue Schulungen. Für einen Energieversorger mit Dutzenden oder Hunderten von Umspannwerken erscheint dies als ein kostenintensives, risikoreiches und mehrjähriges Programm.

Diese Annahme ist falsch. Eine Plattform, die sowohl DNP3 als auch IEC 61850 unterstützt, ermöglicht einen schrittweisen Übergang. Umspannwerk für Umspannwerk, Feld für Feld, ohne den laufenden Betrieb zu stören oder funktionierende DNP3-Anlagen außer Betrieb zu nehmen.

Die Lösung ist eine Plattform zur Automatisierung von Umspannwerken, die beide Protokolle nativ unterstützt und als Brücke zwischen den bestehenden DNP3-basierten Anlagen und neuen IEC 61850-Implementierungen fungiert, ohne dass für jedes Protokoll separate Systeme erforderlich sind.

In der Praxis bietet eine einheitliche Plattform folgende Vorteile:

• Daten aus beiden Protokollumgebungen gleichzeitig erfassen

  DNP3-Außenstationen und IEC 61850-IEDs koexistieren innerhalb desselben Projekts. Die Plattform sammelt Daten von beiden, normalisiert sie und stellt sie den Bedienern über eine einheitliche HMI dar, unabhängig vom Quellprotokoll.

• Als Protokoll-Gateway dienen 

  Daten von IEC 61850-Geräten können an eine DNP3-Leitstelle weitergeleitet werden. Befehle von einem DNP3-Master können an IEC 61850-Geräte weitergeleitet werden. Die Kommunikation in Richtung der übergeordneten Ebene kann je nach den Anforderungen der regionalen Leitstelle auch andere Protokolle nutzen, wie beispielsweise IEC 60870-5-101/104 oder ICCP (IEC 60870-6/TASE.2). Die Plattform übernimmt die Übersetzung zwischen all diesen Protokollen, sodass weder die Geräte in den Umspannwerken noch die Leitstelle ausgetauscht werden müssen, um die jeweils andere zu unterstützen.

• Schrittweise Migration ermöglichen

  Ein Energieversorger kann bestehende DNP3-Umspannwerke unverändert weiterbetreiben, während IEC 61850 in neuen Feldern oder modernisierten Umspannwerken eingeführt wird. Beide werden über dieselbe Engineering-Umgebung und dieselbe Bedienoberfläche verwaltet. Es gibt keinen Umstellungstermin, keinen Stichtag, an dem alles auf einmal umgestellt werden muss.

• Erhaltung bestehender SCADA-Investitionen

  Die Leitstelle kann weiterhin über ihr bestehendes Protokoll kommunizieren, sei es DNP3, IEC 60870-5-101/104 oder ICCP. Die Einführung von IEC 61850 auf der Ebene der Umspannwerke erfolgt für den Netzbetreiber transparent. Dadurch werden die Investitionen des Energieversorgers in die Infrastruktur seiner Leitstelle und in seine Betriebsabläufe geschützt.

Die zenon Softwareplattform bietet umfassende Unterstützung für beide Protokolle innerhalb einer einzigen, integrierten Entwicklungs- und Laufzeitumgebung.

DNP3-Unterstützung

zenon fungiert sowohl als DNP3-Master als auch als Außenstation. Als Master erfasst es Daten von untergeordneten DNP3-Geräten wie RTUs, Schutzrelais, Durchflussmessern und Remote-IEDs. Als Outstation stellt es Daten über DNP3 für übergeordnete Leitstellen bereit und kann als Gateway fungieren, das Daten von IEC 61850-Geräten an einen DNP3-Master weiterleitet.

Wichtige DNP3-Funktionen in zenon:

• Master- und Outstation-Funktionalität gemäß IEEE 1815-2012, Subset Level 4 sowohl für Anfragen als auch für Antworten

• Sichere Authentifizierung v2 und v5 für geschützte Kommunikation mit Geräten nach IEEE 1815-2010 und IEEE 1815-2012

• TLS-Verschlüsselung gemäß IEC 62351-3 für TCP/IP-Verbindungen

• Automatische Master-Konfiguration über einen Class-0-Poll oder den Import eines XML-Geräteprofils, wodurch die manuelle Punktzuordnung entfällt

• Unterstützung der Dateiübertragung zum Abrufen von Störungsaufzeichnungen und anderen Daten aus Außenstationen

• Dynamisches Abfragen, das sich an wechselnde betriebliche Anforderungen anpasst – von kleinen Verteilerstationen bis hin zu großen Übertragungsanlagen

Unterstützung von IEC 61850

zenon integriert IEC 61850 nativ in alle drei Kerndienste: nativ in alle drei Kerndienste:

• MMS-Client zur Datenerfassung aus IEC 61850-IEDs und zur Ausgabe von Steuerbefehlen

• MMS-Server zur Bereitstellung von Daten für übergeordnete Systeme

• GOOSE-Publisher und -Subscriber zur Überwachung von Schutzsignalen und zum Ersetzen fehlender Nachrichten während der Gerätewartung oder bei Ausfällen

Der IEC 61850-MMS-Client von zenon ist von DNV GL gemäß Edition 2 des Standards zertifiziert und unterstützt die gleichzeitige Kommunikation mit Geräten der Editionen 1 und 2. Dies bedeutet, dass Energieversorger IEC 61850-Geräte verschiedener Hersteller und unterschiedlicher Standardausgaben in ein und demselben Projekt integrieren können, während sie bestehende DNP3-Geräte weiterhin betreiben.

Einheitliche Bedienung über beide Protokolle hinweg

Der betriebliche Vorteil besteht darin, dass die Bediener mit einer einheitlichen HMI interagieren, unabhängig davon, ob die zugrunde liegenden Daten über DNP3 oder IEC 61850 eingehen. Alarme, Messwerte, Einliniendiagramme und Steuerbefehle funktionieren auf die gleiche Weise. Ingenieure konfigurieren beide Protokolltreiber innerhalb derselben Engineering-Umgebung. Es gibt eine Plattform zu warten, ein System zu sichern und einen Satz von Betriebsabläufen zu dokumentieren.

Für die Kommunikation in Richtung der übergeordneten Ebenen unterstützt zenon neben seinen nativen IEC 61850-Fähigkeiten auch die von verschiedenen regionalen Leitstellen geforderten Protokolle, darunter DNP3, IEC 60870-5-101/104 und ICCP/TASE.2.

COPA-DATA ist Mitglied der DNP Users Group und beteiligt sich aktiv an der laufenden Weiterentwicklung des IEEE 1815-Standards. Die zenon-DNP3-Treiber und -Protokollstacks werden intern entwickelt und gepflegt, wodurch sichergestellt wird, dass sie sich parallel zu den Standards DNP3 und IEC 61850 weiterentwickeln.

Was bedeutet das für die Modernisierungsplanung?

• Neue Umspannwerke können von Anfang an mit IEC 61850 betrieben werden und über die Gateway-Funktion der Plattform mit der bestehenden Leitwarte kommunizieren. Die Leitwarte muss nicht angepasst werden.

• Bei der Modernisierung bestehender Anlagen können IEC 61850-Geräte schrittweise eingeführt werden. Bestehende DNP3-Geräte bleiben weiterhin in Betrieb. Neue IEC 61850-Relais und Zusammenführungsgeräte werden neben diesen in dieselbe HMI- und SCADA-Umgebung integriert.

• Der Übergang kann sich am Lebenszyklus der Anlagen orientieren und muss nicht im Rahmen eines erzwungenen Migrationsprogramms erfolgen. Wenn DNP3-Geräte das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, werden sie durch IEC 61850-Geräte ersetzt. Die Plattform gleicht den Protokollwechsel aus, ohne den Betrieb zu stören.

• Schulungen und Verfahrensänderungen erfolgen schrittweise. Bediener und Ingenieure lernen die Konzepte der Norm IEC 61850 im Rahmen konkreter Projekte kennen und nicht durch eine groß angelegte Systemumstellung.