12.4.2023

IEC 61850

Poznáte tento komunikačný protokol?

Ak sa pohybujete v oblasti ochrán, rozvodní, transformátorových staníc a podobne, určite odpoviete, že áno.

A viete aj, že sa jedná o veľmi komplexný štandard, ktorý popisuje nielen komunikáciu, ale aj objektový model a menné konvencie objektov a ich atribútov, ktoré komunikačný protokol IEC-61850 prenáša. Jeho zámerom je nahradiť proprietárne komunikačné protokoly (napr. ABB SPA-Bus alebo ABB SRIO X3.28), maximálne unifikovať zariadenia ochrán a rozvodní a umožniť ich interoperabilitu.

O protokole

IEC 61850 je medzinárodný štandard definujúci komunikačné protokoly pre inteligentné elektronické zariadenia (IED - intelligent electronic devices) na elektrických rozvodniach. Abstraktný dátový model definovaný v IEC 61850 je možné mapovať do niekoľkých protokolov. Jedným z nich je Manufacturing Message Specification (MMS), čo je ďalší medzinárodný štandard (ISO 9506) na prenos realtime procesných dát a riadiacich informácií medzi zariadeniami alebo počítačovými aplikáciami pripojenými k sieti. Tento spôsob sa používa aj na prenos informácií medzi IED a nadradeným SCADA systémom, pričom komunikácia prebieha cez TCP spojenie – takže na strane D2000 sa použije linka typu TCP/IP-TCP.

Iným mapovaním sú takzvané GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events) a GSSE (Generic Substation State Events) správy. Tieto sú postavené priamo na Ethernetových rámcoch (bez použitia TCP/UDP) s využitím značkovania VLAN a kvality (IEEE 802.1Q) a používajú sa najmä na komunikáciu medzi ochranami v reálnom čase. Tento spôsob komunikácie nie je v D2000 KOM procese podporený.

Čo môže byť pre užívateľov D2000 zaujímavé, MMS protokol je využívaný aj iným komunikačným protokolom a to ICCP/TASE-2 (IEC 60870-6). Tento fakt značne pomohol implementácii protokolu IEC 61850, keďže stačilo rozšíriť a doplniť existujúcu implementáciu MMS o potrebné správy a štruktúry.

Na popis MMS správ sa používa ASN-1 a na ich prenos binárne kódovanie BER (Basic Encoding Rules) definované v ISO/IEC 8824-1 a ISO/IEC 8824-1. Všetky logy z D2000 KOM procesu v tomto blogu teda ukazujú iba textovú reprezentáciu MMS správ po ich parsovaní.

Na rozdiel od ICCP/TASE-2 definuje protokol IEC 61850 širokú škálu základných dátových typov (Boolean, Float32, Float64, Integer8, Integer16, Integer32, Integer64, Unsigned8, Unsigned16, Unsigned24, Unsigned32, VisibleString, OctetString, MmsString, UnicodeString, BitString, UtcTime, TimeOfDay) a umožňuje z týchto základných typov vytvárať polia a štruktúry (aj viacúrovňové) a pomocou nich popisovať definovaný objektový model – veľmi podobným spôsobom, ako sa polia a štruktúry používajú napr. v jazyku C alebo Ada.

Nasledujúci obrázok ukazuje malú časť objektov nabrowsovaných z konkrétnej ochrany ABB REF 614 (v spodnej časti obrázka je informácia o vyše 12 tisíc objektoch a atribútoch). Konkrétne je zobrazený objekt XGGIO90 (štruktúra) s jeho položkami ST (XGGIO90$ST) a DC (XGGIO90$DC) – všimnite si, že ako oddeľovač slúži symbol dolára namiesto zvyčajnej bodky. Obe tieto položky sú zase štruktúry a obsahujú ďalšie položky, napr. Beh je štruktúra s položkami stVal typu Integer8 (hodnota objektu),  q typu BitString (kvalita) a t typu UtcTime (časová značka).

Obrázok 1 – Zoznam objektov načítaných z ABB REF 614

Hodnoty objektov je možné získavať z komunikácie dvoma spôsobmi:

  • z informačných reportov
  • periodickým dotazovaním

Informačné reporty

Protokol IEC 61850 definuje tzv. buffrované (buffered) a nebuffrované (unbuffered) reporty.

Report obsahuje hodnoty definovaných objektov a generuje sa pri rôznych udalostiach (podľa nastavenia parametra protokolu Report Trigger Options) – napr. na zmenu hodnoty, na zmenu kvality, pravidelne (tzv. integrity report). Definícia reportu a zaradenie objektov doň je záležitosť konfigurácie IED, takže D2000 KOM proces reporty iba aktivuje a používa.

Rozdiel buffrovaných reportov voči nebuffrovaným je ten, že pri strate komunikácie si IED ukladá (buffruje) zmenené hodnoty a následne po obnovení komunikácie ich pošle SCADA systému.

Získavanie hodnôt objektov z reportov je preferovaným a odporúčaným spôsobom komunikácie s IED.

Ako funguje práca s reportami z pohľadu D2000 KOM procesu?

Po nadviazaní komunikácie nasleduje požiadavka na čítanie detailov reportu. Požiadavka obsahuje meno logického zariadenia mapované na MMS doménové meno (domain name). Každé IED môže obsahovať niekoľko logických zariadení – napr. ochrana ABB REF 615 obsahuje:

  • Control logical device – CTRL
  • Disturbance recorder logical device – DR
  • Protection logical device – LD0

Každé logické zariadenie, ktorého hodnoty potrebujeme čítať, je v  D2000 mapované na jeden objekt typu Stanica (adresa stanice je názov logického zariadenia).

D2000 podporuje browsovanie zoznamu logických zariadení, takže pri konfigurácii objektu typu Stanica je možné otvoriť tlačidlom „Browse“ dialóg, do ktorého D2000 KOM proces pošle zoznam načítaných logických zariadení.

Obrázok 2 - Zoznam logických zariadení načítaných z testovacieho IED

Tým je konfigurácia stanice skončená, nič viac už štandardne nie je potrebné nastavovať.

Obrázok 3 - Konfiguračný dialóg objektu Stanica pre protokol IEC 61850

Nasledovný obrázok ukazuje požiadavku na čítanie datasetu buffrovaného reportu logického zariadenia DemoProtCtrl. Dataset je zoznam objektov, ktoré report obsahuje. Všimnite si, že meno čítaného datasetu je vyskladané z názvu logického nodu (LLN0), z informácie, že sa jedná o buffrovaný report (BR), z informácii o názve konkrétneho reportu (brcb02) a nakoniec zo špecifikácie názvu atribútu - mena datasetu (DatSet). Jednotlivé elementy mena sú opäť oddelené znakom dolára ($).

Obrázok 4 - Čítanie hodnoty datasetu LLN0$BR$brcb02$DatSet buffrovaného reportu

IED odpovedá správou, v ktorej je definícia požadovaného mena Datasetu.

Obrázok 5 - Odpoveď s názvom datasetu LLN0$DS2_Protection v doméne DemoProtCtrl

Potom nasleduje čítanie riadiaceho bloku (control block) buffrovaného reportu (brcb):

Obrázok 6 - Čítanie riadiaceho bloku LLN0$BR$brcb02

IED v odpovedi pošle definíciu riadiaceho bloku, ktorá obsahuje informáciu, či je report aktívny a aké sú jeho ďalšie parameter (integrity period, trigger options a iné).

Poznámka: definícia riadiaceho bloku nebufrovaného reportu sa líši – neobsahuje položky purgeBuf, entryID, timeOfEntry a voliteľnú položku resvTms).

Obrázok 7 - Odpoveď IED s definíciou parametrov riadiaceho bloku reportu

Nasleduje zápis do štyroch atribútov riadiaceho bloku, čím sa report aktivuje. Zapisujú sa atribúty Integrity Period (IntgPd), Trigger Options (TrgOps), Report Enable (RptEna) a General Interrogation (GI). V konfigurácii D2000 každému reportu, ktorý chceme aktivovať, zodpovedá nakonfigurovaný jeden meraný bod (typu Buffered/Unbuffered report). Hodnota parametra Integrity Period je v konfigurácii meraného bodu a je definovaná ako počet milisekúnd, po ktorých bude IED generovať report s hodnotami všetkých objektov (z integritných dôvodov – keby došlo k strate dát z niektorých zmenových reportov). Hodnota parametra Trigger Options je definovaná ako parameter stanice – Report Trigger Options – udáva, pri akých udalostiach sa report má generovať. Hodnoty parametrov Report Enable a General Interrogation sú vždy True – aby sa report aktivoval a aby IED okamžite poslal úplný report s hodnotami všetkých objektov.

Obrázok 8 – Aktivácia reportu zápisom do jeho riadiaceho bloku

IED odpovedá potvrdením, že sa zápis do riadiaceho bloku podaril a report je teda aktivovaný:

Obrázok 9 - Potvrdenie úspešnosti zápisu do riadiaceho bloku reportu

A keďže sme zapísali hodnotu TRUE do atribútu GI, nasleduje okamžite integritný report:

Obrázok 10 - Prijatý report s "Reason for inclusion: integrity"

Ako nakonfigurujeme meraný bod zodpovedajúci reportu? Pokiaľ je funkčná komunikácia s IED, podobne ak v prípade stanice môžeme použiť tlačidlo "Browse" na otvorenie zoznamu reportov, ktorý D2000 KOM proces načíta z IED.

Obrázok 11 - Zoznam buffrovaných (br) a nebuffrovaných (ur) reportov zistených z IED

Okrem názvu reportu je ešte možné zadať periódu (v milisekundách), s ktorou sa budú generovať integritné reporty.

Obrázok 12 - Konfigurácia meraného bodu reprezentujúceho buffrovaný report

V rámci logického zariadenia môže teda existovať viacero reportov, ale D2000 KOM aktivuje iba tie, ktoré sú nakonfigurované v meraných bodoch typu Buffered/unbuffered report.

Pokiaľ má takýto meraný bod celočíselnú hodnotu, bude nadobúdať nasledovné hodnoty:

  • 0 - po nadviazaní komunikácie – po poslaní požiadavky na čítanie názvu Datasetu
  • 1 - po načítaní názvu Datasetu
  • 2 - po načítaní parametrov reportu
  • 3 - po načítaní objektov, ktoré sú obsiahnuté v Datasete
  • 4 - po úspešnej aktivácii reportu zápisom
  • 5 a viac - s príchodom každého ďalšieho Informačného reportu sa hodnota zvýši.
  • neplatná - pokiaľ sa niektorý z krokov komunikácie nepodarí

Toto možno využiť napr. na definovanie aplikačných watchdogov a reportovanie problémov, keď sa slhší čas hodnota takéhoto meraného bodu nemení.

Merané body, ktoré sú súčasťou reportu, sa konfigurujú podobne jednoducho. Nastaví sa Typ na Buffered/unbuffered report value a následne sa tlačidlom "Browse" zobrazí dialóg obsahujúci všetky objekty, ktoré sú súčasťou reportu. Niektoré majú pri sebe ikonky – to vtedy, pokiaľ sú súčasťou štruktúry aj položky quality ($a) a time stamp ($t).

Obrázok 13 - Browsovanie položiek reportu

Po nabrowsovaní takejto premennej sa vyplnia okrem položky Name aj položky Array Index, Quality Index a Time Index na názvy atribútov. V starších verziách D2000 boli podporené iba číselné indexy (poradie atribútu v zozname relatívne k Name). Položka Array Index sa dá použiť aj na špecifikáciu indexu prvku v rámci poľa (odtiaľ jej názov). Polia a položky štruktúry sú indexované od 0. Pre prístup k ľubovolnému elementu v rámci vnorených štruktúr môže byť index zadávaný aj v komplexnom formáte, napr. 0.3.1 (0. element v rámci najvyššieho poľa/štruktúry, následne 3. element vo vnorenej štruktúre/poli a 1. element v ďalšej úrovni vnorenia).

Obrázok 14 - Konfigurácia meraného bodu - položky reportu

Periodické dotazovanie

Jedná sa o periodické dotazovanie IED pomocou správ Read-Request, na ktoré zariadenie odpovedá správami Read-Response. Nevýhodou takéhoto spôsobu komunikácie je jednak zaťažovanie IED periodickou komunikáciou a jednak možnosť straty dát medzi jednotlivými dotazmi – ak sa nejaká hodnota rýchlo zmení viackrát, periodické čítanie spravidla niektoré zmeny nezachytí. Niektoré objekty ale nie sú súčasťou reportov, takže iná možnosť nie je.

Obrázok 15 - Správa Read-Request špecifikujúca požiadavku na čítanie troch premenných

Konfigurácia meraných bodov je skoro identická ako pre merané body, ktoré sú súčasťou reportu. Rozdiel je iba v type meraného bodu, ktorý treba nastaviť na Periodically polled value. Pokiaľ je objekt štruktúra/pole, opäť možno špecifikovať názvy atribútov alebo indexy.

Obrázok 16 - Konfigurácia meraného bodu – periodicky dotazovanej hodnoty

Záver

IEC-61850 je otvorený komplexný štandard pre komunikáciu so zariadeniami (ochranami, transformátormi a inými) v rámci elektrických rozvodní. V súčasnosti sa presadzuje ako náhrada priprietárnych protokolov viacerých výrobcov. Už dnes ho máme nasadený na niekoľkých aplikáciách, ďalšie použitia sú v štádiu prípravy a záujem prejavili aj niektorí naši OEM partneri. Preto predpokladáme, že sa tento protokol bude v energetických aplikáciách postavených na aplikačnom serveri reálneho času Ipesoft D2000 bude používať stále častejšie.

6.4.2023, Ing. Peter Humaj, www.ipesoft.com

Iné blogy