IEC 61850 – Kommunikation in Umspannwerken und Energieautomatisierung¶
🔎 Was ist IEC 61850?¶
IEC 61850 ist ein internationaler Standard für die Kommunikation in elektrischen Umspannwerken und anderen Anlagen der Energieautomatisierung.
Er definiert nicht nur die Kommunikationsprotokolle, sondern auch das Datenmodell, das Engineering und die Systemarchitektur.
Der Standard erlaubt die interoperable Kommunikation zwischen Geräten (IEDs) unterschiedlicher Hersteller.
🎯 Ziel von IEC 61850¶
- Standardisierung der Kommunikation in der Energieautomatisierung
- Vereinfachung des Engineerings durch logische Objektmodelle
- Reduktion von Verdrahtungsaufwand durch digitale Kommunikation
- Ermöglichung schneller und sicherer Steuer- & Schutzfunktionen
📐 Architektur & Ebenen¶
IEC 61850 basiert auf einem objektorientierten Datenmodell, das sich in logische Knoten (Logical Nodes) und logische Geräte (Logical Devices) gliedert.
Diese kapseln Funktionen wie Schutz, Messung, Steuerung etc.
Hauptbestandteile:¶
| Komponente | Beschreibung |
|---|---|
| IED | Intelligent Electronic Device (z. B. Schutzrelais) |
| Logical Device | Funktionsmodul innerhalb eines IED |
| Logical Node | Funktionseinheit (z. B. PTOC = Overcurrent Protection) |
| Data Object | Konkrete Datenpunkte (z. B. Stromwert, Auslösung) |
🧩 Kommunikationsmechanismen in IEC 61850¶
IEC 61850 kennt mehrere Kommunikationstypen, je nach Anwendung:
| Mechanismus | Zweck | Protokoll / Ebene |
|---|---|---|
| GOOSE | Schnelle Ereignismeldung (Tripping, Interlock) | Layer 2 Multicast (Ethernet, kein IP) |
| Sampled Values (SV) | Übertragung von Messwerten (z. B. Strom/Spannung) | Layer 2 Ethernet (IEC 61850-9-2) |
| MMS | Steuerung, Überwachung, Parameter | MMS über TCP/IP (IEC 61850-8-1) |
| Time Sync | Zeitbasis für deterministisches Verhalten | PTP (IEEE 1588) oder SNTP |
🌐 OSI-Modell¶
IEC 61850 umfasst mehrere Protokolle – je nach Funktionsebene:
| Ebene | Protokoll(e) |
|---|---|
| 7 – Anwendung | MMS (Manufacturing Message Specification) |
| 4 – Transport | TCP |
| 3 – Netzwerk | IP (nur für MMS) |
| 2 – Sicherung | Ethernet (Layer 2) |
| 1 – Bitübertragung | Ethernet-Physik (100BASE-TX, Glasfaser etc.) |
GOOSE und Sampled Values laufen direkt auf Layer 2 (ohne TCP/IP), um niedrige Latenz zu garantieren.
🔌 Typische Anwendungen¶
- Schutztechnik (Überstrom, Differentialschutz)
- Stationsautomatisierung (Fernsteuerung, Meldungen)
- Zeitkritische Signalverknüpfungen (GOOSE)
- Messdatenerfassung (SV)
- Kommunikation mit Leitstellen (via MMS, IEC 60870-5-104)
🚀 GOOSE – Generic Object Oriented Substation Event¶
GOOSE ist ein zentraler Baustein von IEC 61850.
Eigenschaften:¶
- Multicast-Kommunikation auf Layer 2
- Extrem schnelle Reaktionszeiten (< 3 ms)
- Ideal für Trip-Befehle, Verriegelungen, Interlocks
- Zustandsabhängige Telegramme (nur bei Änderung und zyklisch)
Vorteile:¶
- Reduktion von Verdrahtung (Kupfer wird durch Netzwerk ersetzt)
- Flexible Signalverknüpfung per Software
- Herstellerübergreifende Interoperabilität
- Schnelle, deterministische Übertragung
- Redundanzfähig durch PRP/HSR
Nachteile:¶
- Hoher Engineering-Aufwand (SCL, GOOSE-Logik)
- Abhängigkeit von Netzwerkinfrastruktur
- Keine Authentifizierung/Verschlüsselung (Layer 2)
- Fehlersuche kann komplex sein
Sicherheit:¶
GOOSE ist nicht verschlüsselt, daher ist strenge Segmentierung (z. B. VLAN, Port Security) oder Absicherung per IEC 62351 nötig.
⚖️ Vergleich: GOOSE vs. klassische Verdrahtung¶
| Aspekt | Klassisch (Kupfer) | GOOSE (IEC 61850) |
|---|---|---|
| Verdrahtung | Punkt-zu-Punkt | Nur Netzwerkanschluss nötig |
| Reaktionszeit | 10–100 ms | <3 ms |
| Flexibilität | Niedrig | Hoch (softwarebasiert) |
| Redundanz | Aufwendig (doppelte Relais) | Einfach mit PRP/HSR |
| Diagnosefähigkeit | Manuell (z. B. Durchmessen) | Netzwerkbasiert |
| Änderungsaufwand | Hoch (neue Verdrahtung nötig) | Niedrig (Logik ändern reicht) |
🧾 Zusammenfassung¶
- IEC 61850 ist der umfassendste Standard für Kommunikation in Energieanlagen.
- Mit GOOSE ersetzt er klassische Verdrahtung für schnelle Schutz- und Steuerfunktionen.
- Er erlaubt moderne, flexible und herstellerübergreifende Automatisierung.
- Gleichzeitig bringt er neue Herausforderungen in Bezug auf Engineering, Netzwerktechnik und Sicherheit.
🗂️ Weitere Bestandteile von IEC 61850¶
| Teil | Inhalt |
|---|---|
| 61850-1 | Einführung und Grundprinzipien |
| 61850-6 | Engineering (SCL – Substation Configuration Language) |
| 61850-7 | Datenmodelle (Logical Nodes etc.) |
| 61850-8 | Mapping auf MMS (Kommunikationsdienste) |
| 61850-9 | Sampled Values für Messwerte |
| 61850-10 | Testspezifikationen |
IEC 61850 ist mehr als ein Protokoll – es ist ein vollständiges Modell zur Automatisierung, Kommunikation und Integration von Energiesystemen.