In che modo gli standard DNP3 e IEC 61850 interagiscono in una sottostazione moderna?

• DNP3 e IEC 61850 hanno finalità che si sovrappongono ma sono distinte. DNP3 è un protocollo leggero e basato sugli eventi, progettato per garantire l’affidabilità su connessioni a bassa larghezza di banda o seriali. Lo standard IEC 61850 è uno standard ad alta velocità, basato su un modello di dati, progettato per garantire l’interoperabilità tra dispositivi IED di diversi produttori all’interno della sottostazione.

• La modernizzazione non richiede la sostituzione immediata di tutto. Una piattaforma software che supporti entrambi i protocolli consente alle utility di continuare a utilizzare i dispositivi DNP3 esistenti, introducendo al contempo apparecchiature IEC 61850 man mano che vengono aggiornati i singoli stalli o le sottostazioni.

• Una singola piattaforma software elimina la complessità derivante dalla gestione di sistemi di automazione separati per gli ambienti DNP3 e IEC 61850, riducendo l’impegno ingegneristico, i requisiti di formazione e il rischio operativo.

• zenon supporta endpoint master e outstation DNP3 insieme al client MMS nativo IEC 61850, nonché al server e al protocollo GOOSE per l’integrazione della stazione e del bus di processo, consentendo un approccio unificato all’automazione delle sottostazioni su entrambe le generazioni di protocolli.

Il protocollo DNP3 (Distributed Network Protocol, standardizzato anche come IEEE 1815) è stato progettato per affrontare una sfida specifica: garantire comunicazioni affidabili su connessioni inaffidabili. Collegamenti seriali, reti radio, modem dial-up e TCP/IP. Il DNP3 gestisce l’elevata latenza, la bassa larghezza di banda e la connettività intermittente, mantenendo al contempo l’integrità dei dati attraverso la segnalazione basata sugli eventi e il polling di integrità. Queste caratteristiche lo hanno reso il protocollo dominante nelle utility nordamericane e in molti altri mercati in tutto il mondo.

In pratica, il DNP3 viene utilizzato a diversi livelli. All’interno della sottostazione, collega i relè di protezione, i contatori e altri dispositivi intelligenti (IED) alle RTU locali o ai concentratori di dati. Per la comunicazione a monte, collega i gateway delle sottostazioni ai centri di controllo. Il protocollo non si limita a un unico ruolo; la sua flessibilità ha portato a un’adozione diffusa sia nelle applicazioni locali che in quelle remote.

Lo standard IEC 61850 risponde a una serie diversa di requisiti: ciò che avviene tra dispositivi di produttori diversi all’interno di una moderna sottostazione. Man mano che i sistemi di protezione e controllo sono diventati più complessi, il settore aveva bisogno di uno standard che consentisse agli IED di comunicare ad alta velocità, condividere un modello di dati comune ed essere configurati attraverso un processo ingegneristico standardizzato. Lo standard IEC 61850 soddisfa queste esigenze. Consente l’utilizzo dei messaggi GOOSE per il coordinamento delle protezioni, dei valori campionati (Sampled Values) per la condivisione delle misurazioni digitalizzate e del protocollo MMS per il monitoraggio e il controllo SCADA, il tutto all’interno della rete locale della sottostazione.

Questi due protocolli coesistono nelle aziende elettriche pubbliche di tutto il mondo. Molte organizzazioni gestiscono oggi sottostazioni basate su DNP3 e stanno adottando la norma IEC 61850 per le nuove realizzazioni e le ristrutturazioni. Il compito di modernizzazione non consiste nel sostituire completamente il DNP3, ma nel gestire un ambiente misto DNP3-IEC 61850 per tutto il ciclo di vita delle infrastrutture.

Da decenni molte aziende di servizi pubblici gestiscono reti di sottostazioni basate sullo standard DNP3. I loro dispositivi di campo, le RTU, le procedure tecniche e le interfacce dei centri di controllo sono strutturati secondo il modello operativo DNP3.

La sfida si presenta quando queste aziende iniziano ad adottare lo standard IEC 61850 per le sottostazioni nuove o rinnovate. I dispositivi IEC 61850 comunicano utilizzando un modello fondamentalmente diverso. I dati sono strutturati in nodi logici con una semantica predefinita anziché in semplici elenchi di punti. Il processo di configurazione utilizza file SCL (Substation Configuration Language) anziché la mappatura manuale dei punti. I servizi di comunicazione, come GOOSE e MMS, funzionano in modo diverso dal polling master-outstation del DNP3.

L’assunto comune, e la preoccupazione che rallenta la modernizzazione, è che l’adozione dello standard IEC 61850 comporti la sostituzione dell’intero sistema di automazione: nuovi dispositivi, nuovo software SCADA, nuovi strumenti di progettazione, nuova formazione. Per un’azienda di servizi pubblici con decine o centinaia di sottostazioni, questo sembra essere un programma pluriennale ad alto costo e ad alto rischio.

Questo presupposto è errato. Una piattaforma che supporta sia DNP3 che IEC 61850 consente di effettuare la transizione in modo incrementale, sottostazione per sottostazione, bay per bay, senza interrompere le operazioni esistenti né abbandonare le risorse DNP3 funzionanti.

La soluzione consiste in una piattaforma di automazione delle sottostazioni in grado di supportare nativamente entrambi i protocolli, fungendo da ponte tra le infrastrutture esistenti basate su DNP3 e le nuove implementazioni secondo lo standard IEC 61850, senza richiedere sistemi separati per ciascuna di esse.

In pratica, una piattaforma unificata è in grado di:

• Acquisire dati da entrambi gli ambienti di protocollo contemporaneamente. Le stazioni periferiche DNP3 e gli IED IEC 61850 coesistono all’interno dello stesso progetto. La piattaforma raccoglie i dati da entrambi, li normalizza e li presenta agli operatori tramite un’interfaccia HMI coerente, indipendentemente dal protocollo di origine.

• Fungere da gateway di protocollo. I dati provenienti dai dispositivi IEC 61850 possono essere inoltrati a un centro di controllo DNP3. I comandi provenienti da un master DNP3 possono essere instradati verso dispositivi IEC 61850. La comunicazione a monte può inoltre utilizzare altri protocolli, quali IEC 60870-5-101/104 o ICCP (IEC 60870-6/TASE.2), a seconda dei requisiti del centro di controllo regionale. La piattaforma gestisce la conversione tra tutti questi protocolli, quindi né i dispositivi della sottostazione né il centro di controllo devono essere sostituiti per adattarsi all’altro.

• Consente una migrazione graduale. Un’azienda di servizi pubblici può continuare a gestire le sottostazioni DNP3 esistenti senza modifiche, implementando al contempo lo standard IEC 61850 in nuovi reparti o in sottostazioni ristrutturate. Entrambe le soluzioni sono gestite dallo stesso ambiente di progettazione e dalla stessa interfaccia operatore. Non è previsto alcun evento di passaggio, né una data prestabilita in cui tutto debba cambiare contemporaneamente.

• Preserva gli investimenti SCADA esistenti. Il centro di controllo può continuare a comunicare tramite il proprio protocollo esistente, che sia DNP3, IEC 60870-5-101/104 o ICCP. L’introduzione dello standard IEC 61850 a livello di sottostazione è trasparente per l’operatore di sistema. Ciò tutela l’investimento dell’azienda di servizi pubblici nell’infrastruttura del proprio centro di controllo e nelle procedure operative.

La piattaforma software zenon offre un supporto completo per entrambi i protocolli all’interno di un unico ambiente integrato di progettazione e di esecuzione.

Supporto DNP3

zenon funziona sia come master DNP3 che come stazione remota. In qualità di master, acquisisce dati da dispositivi DNP3 subordinati quali RTU, relè di protezione, misuratori di portata e IED remoti. In qualità di outstation, fornisce dati ai centri di controllo a monte utilizzando DNP3 e può fungere da gateway, inoltrando i dati provenienti da dispositivi IEC 61850 a un master DNP3.

Principali funzionalità DNP3 in zenon:

• Funzionalità master e outstation conformi allo standard IEEE 1815-2012, Subset Level 4 sia per le richieste che per le risposte

• Autenticazione sicura v2 e v5 per comunicazioni protette con dispositivi sia IEEE 1815-2010 che IEEE 1815-2012

• Crittografia TLS secondo la norma IEC 62351-3 per le connessioni TCP/IP

• Configurazione automatica del master tramite polling di Classe 0 o importazione del profilo dispositivo XML, eliminando la mappatura manuale dei punti

• Supporto del trasferimento di file per il recupero di registrazioni di disturbi e altri dati dalle stazioni periferiche

• Polling dinamico che si adatta alle mutevoli esigenze operative, dalle piccole sottostazioni di distribuzione ai grandi impianti di trasmissione

Supporto dello standard IEC 61850

zenon integra nativamente lo standard IEC 61850 in tutti e tre i servizi principali:

• MMS Client per l’acquisizione dei dati da IED conformi alla norma IEC 61850 e l’emissione di comandi di controllo

• MMS Server per la fornitura di dati ai sistemi a monte

• GOOSE Publisher e Subscriber per il monitoraggio dei segnali di protezione e la sostituzione dei messaggi mancanti durante la manutenzione o il guasto dei dispositivi

Il client MMS IEC 61850 di zenon è certificato secondo l’Edizione 2 dello standard da DNV GL e supporta la comunicazione simultanea con dispositivi sia dell’Edizione 1 che dell’Edizione 2. Ciò significa che le aziende di servizi pubblici possono integrare apparecchiature IEC 61850 di diversi produttori e diverse edizioni dello standard all’interno dello stesso progetto, continuando al contempo a utilizzare i dispositivi DNP3 esistenti.

Funzionamento unificato su entrambi i protocolli

Il vantaggio operativo consiste nel fatto che gli operatori interagiscono con un’unica interfaccia uomo-macchina (HMI) coerente, indipendentemente dal fatto che i dati sottostanti arrivino tramite DNP3 o IEC 61850. Allarmi, misurazioni, schemi unifilari e comandi di controllo funzionano allo stesso modo. Gli ingegneri configurano entrambi i driver di protocollo all’interno dello stesso ambiente di progettazione. C’è un’unica piattaforma da mantenere, un unico sistema da proteggere e un unico insieme di procedure operative da documentare.

Per la comunicazione a monte, zenon supporta i protocolli richiesti dai diversi centri di controllo regionali, tra cui DNP3, IEC 60870-5-101/104 e ICCP/TASE.2, oltre alle proprie funzionalità native IEC 61850.

COPA-DATA è membro del DNP Users Group e partecipa attivamente allo sviluppo in corso dello standard IEEE 1815. I driver DNP3 e gli stack di protocollo di zenon sono sviluppati e gestiti internamente, garantendo che si evolvano di pari passo con gli standard DNP3 e IEC 61850.

Cosa significa questo per la pianificazione della modernizzazione?

• Le nuove sottostazioni possono essere implementate con lo standard IEC 61850 sin dal primo giorno, comunicando al centro di controllo esistente tramite la funzione gateway della piattaforma. Il centro di controllo non richiede alcuna modifica.

• Le ristrutturazioni di impianti esistenti (brownfield) possono introdurre i dispositivi IEC 61850 in modo incrementale. I dispositivi DNP3 esistenti rimangono operativi. I nuovi relè e le unità di fusione IEC 61850 vengono integrati insieme a essi all’interno dello stesso ambiente HMI e SCADA.

• La transizione può essere guidata dal ciclo di vita delle risorse piuttosto che da un programma di migrazione forzata. Man mano che le apparecchiature DNP3 raggiungono la fine del loro ciclo di vita, vengono sostituite con apparecchiature conformi allo standard IEC 61850. La piattaforma assorbe il cambiamento di protocollo senza interrompere le operazioni.

• La formazione e il cambiamento delle procedure avvengono gradualmente. Operatori e ingegneri apprendono i concetti della norma IEC 61850 nel contesto di progetti specifici, anziché attraverso una conversione del sistema su larga scala.