Comment les normes DNP3 et IEC 61850 fonctionnent-elles conjointement dans un poste électrique moderne ?

• Les normes DNP3 et CEI 61850 ont des objectifs qui se recoupent mais qui sont distincts. DNP3 est un protocole léger, piloté par les événements, conçu pour garantir la fiabilité sur des connexions à faible bande passante ou série. La norme CEI 61850 est une norme à haut débit, basée sur un modèle de données, conçue pour assurer l’interopérabilité entre les dispositifs électroniques intelligents (IED) de différents fabricants au sein d’un poste électrique.

• La modernisation ne nécessite pas de tout remplacer d’un seul coup. Une plateforme prenant en charge les deux protocoles permet aux services publics de continuer à exploiter leurs équipements DNP3 existants tout en introduisant des équipements conformes à la norme CEI 61850 au fur et à mesure de la mise à niveau des baies ou des postes individuels.

• Une plateforme logicielle unique élimine la complexité liée à l’exploitation de systèmes d’automatisation distincts pour les environnements DNP3 et CEI 61850, réduisant ainsi les efforts d’ingénierie, les besoins en formation et les risques opérationnels.

• zenon prend en charge les terminaux maîtres et distants DNP3, ainsi que le client MMS natif IEC 61850, le serveur et le protocole GOOSE pour l’intégration des bus de station et de processus, permettant ainsi une approche unifiée de l’automatisation des postes électriques pour les deux générations de protocoles.

Le protocole DNP3 (Distributed Network Protocol, également normalisé sous la référence IEEE 1815) a été conçu pour répondre à un défi spécifique : assurer une communication fiable sur des liaisons non fiables. Liaisons série, réseaux radio, modems commutés et TCP/IP. Le DNP3 gère les latences élevées, les faibles débits et les connexions intermittentes tout en préservant l’intégrité des données grâce à des rapports déclenchés par les événements et à des interrogations d’intégrité. Ces caractéristiques en ont fait le protocole dominant au sein des services publics nord-américains et sur de nombreux autres marchés à travers le monde.

Dans la pratique, le DNP3 est utilisé à plusieurs niveaux. Au sein d’une sous-station, il relie les relais de protection, les compteurs et autres dispositifs électroniques intelligents (IED) aux RTU locales ou aux concentrateurs de données. Pour la communication en amont, il relie les passerelles des postes électriques aux centres de contrôle. Ce protocole ne se limite pas à un seul rôle ; sa flexibilité a conduit à son adoption généralisée tant dans les applications locales qu’à distance.

La norme CEI 61850 répond à un ensemble d’exigences différentes : ce qui se passe entre les appareils de différents fabricants au sein d’une sous-station moderne. À mesure que les systèmes de protection et de contrôle gagnaient en complexité, le secteur avait besoin d’une norme permettant aux dispositifs électroniques intégrés (IED) de communiquer à haut débit, de partager un modèle de données commun et d’être configurés via un processus d’ingénierie normalisé. La norme CEI 61850 répond à ces besoins. Elle prend en charge la messagerie GOOSE pour la coordination de la protection, les valeurs échantillonnées pour le partage de mesures numérisées, ainsi que le protocole MMS pour la surveillance et le contrôle SCADA, le tout au sein du réseau local de la sous-station.

Ces deux protocoles coexistent au sein des réseaux électriques du monde entier. De nombreuses organisations exploitent aujourd’hui des postes électriques basés sur le protocole DNP3 et adoptent la norme CEI 61850 pour les nouvelles constructions et les rénovations. La modernisation ne consiste pas à remplacer entièrement le protocole DNP3, mais à gérer un environnement mixte DNP3/CEI 61850 tout au long du cycle de vie des actifs.

De nombreux services publics exploitent depuis des décennies des réseaux de sous-stations basés sur le protocole DNP3. Leurs appareils de terrain, leurs RTU, leurs procédures d'ingénierie et leurs interfaces avec les centres de contrôle s'articulent autour du mode de fonctionnement du protocole DNP3.

Le défi se pose lorsque ces entreprises commencent à adopter la norme CEI 61850 pour leurs sous-stations nouvelles ou rénovées. Les appareils conformes à la norme CEI 61850 communiquent selon un modèle fondamentalement différent. Les données sont structurées en nœuds logiques dotés d’une sémantique prédéfinie, plutôt que sous forme de simples listes de points. Le processus de configuration utilise des fichiers SCL (Substation Configuration Language) plutôt qu’un mappage manuel des points. Les services de communication, tels que GOOSE et MMS, fonctionnent différemment du système d’interrogation maître-poste distant du protocole DNP3.

L’idée reçue, et la crainte qui freine la modernisation, est que l’adoption de la norme CEI 61850 implique le remplacement de l’ensemble du système d’automatisation : nouveaux appareils, nouveau logiciel SCADA, nouveaux outils d’ingénierie, nouvelle formation. Pour un service public disposant de dizaines, voire de centaines de postes électriques, cela semble être un programme pluriannuel, coûteux et à haut risque.

Cette hypothèse est erronée. Une plateforme prenant en charge à la fois le DNP3 et la norme CEI 61850 permet une transition progressive, sous-station par sous-station, baie par baie, sans perturber les opérations existantes ni abandonner les équipements DNP3 en état de fonctionnement.

La solution consiste en une plateforme d'automatisation des postes électriques qui prend en charge nativement ces deux protocoles, faisant ainsi le lien entre le parc existant basé sur le protocole DNP3 et les nouveaux déploiements conformes à la norme CEI 61850, sans nécessiter de systèmes distincts pour chacun.

Concrètement, une plateforme unifiée permet :

• D'acquérir simultanément des données provenant des deux environnements de protocole. Les postes distants DNP3 et les dispositifs IED IEC 61850 coexistent au sein d'un même projet. La plateforme collecte les données des deux, les normalise et les présente aux opérateurs via une IHM cohérente, quel que soit le protocole source.

• Servir de passerelle de protocole. Les données provenant des dispositifs IEC 61850 peuvent être transmises à un centre de contrôle DNP3. Les commandes émanant d’un maître DNP3 peuvent être acheminées vers des dispositifs IEC 61850. La communication en amont peut également utiliser d’autres protocoles, tels que la norme CEI 60870-5-101/104 ou l’ICCP (CEI 60870-6/TASE.2), en fonction des exigences du centre de contrôle régional. La plateforme assure la conversion entre tous ces protocoles ; il n’est donc pas nécessaire de remplacer les équipements de la sous-station ni le centre de contrôle pour les rendre compatibles entre eux.

• Permettre une migration progressive. Un service public peut continuer à exploiter ses sous-stations DNP3 existantes sans modification tout en déployant la norme CEI 61850 dans de nouvelles baies ou des sous-stations rénovées. Les deux sont gérées à partir du même environnement d’ingénierie et de la même interface opérateur. Il n’y a pas d’événement de basculement, ni de date butoir où tout doit basculer d’un seul coup.

• Préservez les investissements SCADA existants. Le centre de contrôle peut continuer à communiquer via son protocole existant, qu’il s’agisse de DNP3, de la norme CEI 60870-5-101/104 ou de l’ICCP. L’introduction de la norme CEI 61850 au niveau des postes électriques est transparente pour l’opérateur du réseau. Cela protège l’investissement du service public dans l’infrastructure de son centre de contrôle et dans ses procédures opérationnelles.

La plateforme logicielle zenon offre une prise en charge complète de ces deux protocoles au sein d'un environnement unique et intégré, à la fois pour la conception et l'exécution.

Prise en charge du protocole DNP3

zenon fonctionne à la fois comme maître DNP3 et comme station distante. En tant que maître, il acquiert des données provenant de dispositifs DNP3 subordonnés tels que des RTU, des relais de protection, des débitmètres et des IED distants. En tant que station distante, il fournit des données aux centres de contrôle en amont via DNP3 et peut servir de passerelle, en transmettant les données provenant de dispositifs conformes à la norme CEI 61850 vers un maître DNP3.

Principales fonctionnalités DNP3 de zenon :

• Fonctionnalités de maître et de station distante conformes à la norme IEEE 1815-2012, sous-ensemble de niveau 4 pour les requêtes et les réponses

• Authentification sécurisée v2 et v5 pour une communication protégée avec les appareils conformes aux normes IEEE 1815-2010 et IEEE 1815-2012

• Chiffrement TLS conforme à la norme CEI 62351-3 pour les connexions TCP/IP

• Configuration automatique du maître à partir d’un sondage de classe 0 ou de l’importation d’un profil de périphérique XML, éliminant ainsi le mappage manuel des points

• Prise en charge du transfert de fichiers pour récupérer les enregistrements de perturbations et d’autres données provenant de postes distants

• Interrogation dynamique s'adaptant à l'évolution des besoins opérationnels, des petits postes de distribution aux grandes installations de transport

Prise en charge de la norme CEI 61850

zenon intègre nativement la norme CEI 61850 dans ses trois services principaux :

• MMS Client pour l'acquisition de données à partir d'IED conformes à la norme CEI 61850 et l'émission de commandes de contrôle

• Serveur MMS pour la fourniture de données aux systèmes en amont

• Éditeur et abonné GOOSE pour la surveillance des signaux de protection et la substitution des messages manquants en cas de maintenance ou de défaillance d’un appareil

Le client MMS IEC 61850 de zenon est certifié conforme à l’édition 2 de la norme par DNV GL et prend en charge la communication simultanée avec des appareils de l’édition 1 et de l’édition 2. Les gestionnaires de réseaux peuvent ainsi intégrer, au sein d’un même projet, des équipements conformes à la norme CEI 61850 provenant de différents fabricants et respectant différentes éditions de la norme, tout en continuant à exploiter leurs appareils DNP3 existants.

Fonctionnement unifié sur les deux protocoles

L’avantage opérationnel réside dans le fait que les opérateurs interagissent avec une IHM unique et cohérente, que les données sous-jacentes proviennent de DNP3 ou de la norme CEI 61850. Les alarmes, les mesures, les schémas unifilaires et les commandes de contrôle fonctionnent de la même manière. Les ingénieurs configurent les pilotes des deux protocoles au sein du même environnement d’ingénierie. Il n’y a qu’une seule plateforme à maintenir, un seul système à sécuriser et un seul ensemble de procédures opérationnelles à documenter.

Pour la communication en amont, zenon prend en charge les protocoles requis par les différents centres de contrôle régionaux, notamment DNP3, CEI 60870-5-101/104 et ICCP/TASE.2, en plus de ses capacités natives IEC 61850.

COPA-DATA est membre du DNP Users Group et participe activement au développement continu de la norme IEEE 1815. Les pilotes DNP3 et les piles de protocoles de zenon sont développés et maintenus en interne, ce qui garantit leur évolution parallèlement aux normes DNP3 et CEI 61850.

Quelles sont les implications pour la planification de la modernisation ?

• Les nouveaux postes électriques peuvent être déployés avec la norme CEI 61850 dès le premier jour, tout en communiquant avec le centre de contrôle existant via la fonction de passerelle de la plateforme. Le centre de contrôle ne nécessite aucune modification.

• Les rénovations d’installations existantes peuvent introduire progressivement des appareils conformes à la norme CEI 61850. Les appareils DNP3 existants restent opérationnels. Les nouveaux relais et unités de fusion CEI 61850 sont intégrés à leurs côtés au sein du même environnement IHM et SCADA.

• La transition peut s’effectuer en fonction du cycle de vie des équipements plutôt que dans le cadre d’un programme de migration imposé. À mesure que les équipements DNP3 arrivent en fin de vie, ils sont remplacés par des équipements conformes à la norme CEI 61850. La plateforme prend en charge le changement de protocole sans perturber les opérations.

• La formation et la modification des procédures s’effectuent progressivement. Les opérateurs et les ingénieurs apprennent les concepts de la norme CEI 61850 dans le cadre de projets spécifiques plutôt que lors d’une migration à grande échelle du système.