Die Sprache elektrischer Schaltanlagen: Standardisierte Kommunikationsprotokolle im Vaisala DGA Monitor

Umspannwerk Online-Überwachung von Transformatoren
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Matti Kokki
System Architect
Jun 18, 2019
Energieübertragung

Häufig ist es nicht einfach, die Kommunikation unterschiedlicher Geräte miteinander zu gewährleisten. Um dieses Problem zu lösen, unterstützt der the Vaisala Optimus™ DGA Monitor OPT100   drei der beliebtesten Kommunikationsprotokolle. So gelangen die wichtigen Daten, die er von elektrischen Schaltanlagen erfasst, dorthin, wo sie benötigt werden.

Bei der Installation des Monitors OPT100 in einer elektrischen Schaltanlage wird eine Verbindung zum Überwachungs- und Datenerfassungssystem (Supervisory Control and Data Acquisition; SCADA) der Schaltanlage hergestellt. Dieses System verarbeitet die vom Monitor erfassten Messdaten – üblicherweise zwischen 10 und 50 Messwerte aus jeder Ölanalyse. Die Messergebnisse werden über Kommunikationsprotokolle, die direkt von einem Computer auf einen anderen übertragen werden, an das SCADA-System gesendet.

In der Praxis fordert das SCADA-System vom Monitor regelmäßig, beispielsweise einmal pro Sekunde, Informationen sowie Messergebnisse an, darunter Daten wie Alarme und Systemstatus.

Für die SCADA-Kommunikation stehen mehrere unterschiedliche Kommunikationsprotokolle zur Verfügung. In der Vergangenheit definierten Hersteller häufig ihre eigenen Protokolle. Dies führte zu Problemen mit der Kompatibilität der einzelnen Netzwerkkomponenten der Schaltanlagen. Glücklicherweise hat die Standardisierung die Anzahl unterschiedlicher Protokolle, die zum Einsatz kommen, reduziert und somit die Interoperabilität verbessert. Wenn die Komponenten einer Schaltanlage nicht dieselben Protokolle unterstützen wie das SCADA-System der Schaltanlage, ist ein Protokollwandler nötig.

Der OPT100 unterstützt drei der beliebtesten Kommunikationsprotokolle: Modbus, DNP3 und IEC 61850. Zwar können alle drei zur Übertragung grundlegender Informationen vom OPT100 zum SCADA-System genutzt werden, doch in Funktion und Betrieb unterscheiden sie sich geringfügig. Sehen wir uns nun jedes der drei Protokolle im Detail an.

Modbus

Modbus wurde in den 1970er Jahren definiert und ist damit das älteste der drei Protokolle. Trotz seines moderaten Funktionsumfangs ist es noch häufig im Einsatz. Es ist ein Universalprotokoll ohne besondere Funktionen für Schaltanlagen.

Modbus kann auf verschiedene Arten implementiert werden. Der OPT100 bietet die beiden häufigsten Optionen: Modbus RTU mit RS-485 als Hardware-Layer und Modbus TCP über Ethernet. Die Modbus-Kommunikation basiert auf dem Master-Slave-Prinzip. Der Master initiiert die Kommunikation, der Slave reagiert auf Nachrichten, die an ihn gerichtet sind. In einer elektrischen Schaltanlagen ist das SCADA-System der Master, der Informationen vom Slave OPT100 anfordert, indem er die Modbus-Register ausliest.

Die Einrichtung der Modbus-Kommunikation ist sehr arbeitsaufwendig. Die Modbus-Schnittstellenbeschreibung (häufig Registerzuordnung genannt) ist ein vom Benutzenden lesbares Dokument, das erläutert, welche Modbus-Funktionen implementiert wurden und welche Informationen welchem Register in welchem Datenformat zugeordnet sind. Wenn ein Modbus-Gerät mit einem SCADA-System verwendet wird, muss der Installierende das System mithilfe von Daten aus der Modbus-Registerzuordnung manuell konfigurieren.

DNP3

Das DNP3-Protokoll wurde in den 1990er Jahren definiert und speziell für elektrische Schaltanlagen und andere Versorgungsanwendungen wie Wasseraufbereitung und Gasversorgung entwickelt. Es wird vor allem in Amerika und einigen asiatischen Ländern wie Japan verwendet.
DNP3 wurde für die serielle Kommunikation und Ethernet-Schnittstellen definiert und unterstützt bestimmte Funktionen speziell für Schaltanlagen. Die DNP3-Schnittstelle wird im Geräteprofildokument beschrieben, das im Lieferumfang des Geräts enthalten ist und alle Kommunikationsparameter, verfügbaren Funktionen und Messdaten erläutert. Das Profildokument kann im von Benutzenden lesbaren Format angezeigt oder für eine einfachere Konfiguration in das SCADA-System hochgeladen werden.
Beim DNP3-Protokoll ist das SCADA-System eine Master-Station und der OPT100 eine Außenstation. DNP3 wird meist im Master-Slave-Modus verwendet, aber DNP3-Außenstationen können ebenfalls bestimmte Arten der Kommunikation starten, beispielsweise Alarme senden.

OPT100 bietet eine Ethernet-basierte DNP3-Schnittstelle. Eine detaillierte Beschreibung finden Sie im Dokument zum OPT100-DNP3-Geräteprofil.

IEC 61850

IEC 61850 ist ein Standard für den Entwurf von Schaltanlagen-Automatisierungen, der von der International Electrotechnical Commission (IEC) entwickelt wurde und häufig als zukunftssichere Lösung angesehen wird. Er enthält Referenzarchitektur und mehrere Protokolle und Datenmodelle und ist viel komplexer als das Modbus- oder DNP3-Protokoll. Die Hauptidee dahinter ist, dass alle Komponenten von Schaltanlagen – Transformatoren, Switches, Relais, Messgeräte, Kommunikationsverbindungen, Konfigurationen usw. – mithilfe von SCL (Substation Configuration description Language; Sprache zur Beschreibung von Schaltanlagenkonfigurationen) beschrieben werden. Somit soll eine herstellerunabhängige Methode zur Beschreibung und zum Betrieb elektrischer Schaltanlagen bereitgestellt werden.

Im IEC 61850-Kontext wird der OPT100 als IED (Intelligent Electronic Device; Intelligentes elektronisches Gerät) bezeichnet. Ein IED umfasst immer einen Satz SCL-Dateien zur Beschreibung. In der Praxis importiert der Entwickelnde der Schaltanlage eine SCL-Datei in die Schaltanlagen-Datenbank und konfiguriert die notwendigen Parameter. Die konfigurierte Datei wird dann auf den OPT100 hochgeladen und wird ein logischer Teil der Schaltanlagenfunktion.
Die IEC 61850-Benutzergruppe finden Sie unter www.iec61850.ucaiug.org.

Weitere Informationen zu Vaisala Geräten und Serviceangeboten für Energieanwendungen und zum Zugriff auf Tools, die Sie bei Ihren Anwendungsanforderungen unterstützen, erhalten durch Herunterladen unseres eGuide.

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