IEC 60870-5 - Hochschule Emden/Leer

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Automatisierungstage (05./06. Februar 2014)
„Intelligente Fernwirktechnik – ein Baustein zur Netzstabilität“
Vernetzung und Sicherheit im Smart Grid
© WAGO Kontakttechnik GmbH & Co. KG MMIP Heiko Tautor
1
Die Marktposition
Die erste Idee 1951:
Federklemmanschlusstechnik
1951
1974
1977
1983
1995
Weltmarktführer für Komponenten mit Federklemmanschlusstechnik
Gebäudeinstallation
und
Gebäudeautomation
Industrielle Elektronik
und
Automatisierungstechnik
2
Energiewende
Energiewende
3
Ausbau der Erneuerbaren Energien
Quelle: Statistisches Bundesamt; Bundesministerium für Wirtschaft und Energie; BDEW Bundesverband der Energie- und
Wasserwirtschaft e.V.; Statistik der Kohlenwirtschaft e.V.; AG Energiebilanzen e.V. *Vorläufige Angaben (Stand: 2. Juli 2013),
z.T. geschätzt. Abweichungen in den Summen durch Rundungen.
4
Ausbau der Erneuerbaren Energien
5
Monitoring von Ortsnetzstationen
Vergangenheit: Stromerzeugung durch wenige Großkraftwerke
Spannungs- und Frequenzregelung in den
Großkraftwerken und in der Hochspannungsebene
Kommunikationsrichtung
 Das Wissen über die Spannungsqualität im Bereich
der Ortsnetzstationen/Niederspannungsnetz war
nicht wichtig
„Blinder Fleck“
Stromfluss
Wohngebäude
Industrie
6
Zukunft: Stromerzeugung in wenigen konventionellen Kraftwerken und einer Vielzahl von dezentralen Anlagen
Spannungs-, Leistungs- und Frequenzmessung in
Erneuerbaren Energienanlagen (EEG) und im
Niederspannungsbereich wird benötigt
 Überwachung der Ortsnetzstationen
„Blinder Fleck“
Stromfluss
Wohngebäude
Industrie
7
Stromfluss
Wohngebäude
Industrie
8
Einfluss dezentraler Versorgungssysteme
Verantwortung des ÜNB, Verstärkte Einbindung VNB
Verantwortung der VNB
Frequenzproblem
(„f“-Problem)
Grenzwertüberoder
unterschreitung
Frequenz
50 Hz
vorrangig Stromproblem,
aber auch Leistungsproblem
(„I“ und „P“ –Problem)
Grenzwertüberschreitung
Betriebsmittelauslastung
Spannungsproblem
(„U“-Problem)
Steuerung & Regelung
durch NB
(Regulierter Bereich)
Gefahr im Verzug /
Gefährdung und
Störung
Grenzwertüberoder
unterschreitung
Spannung
Die Netzbetreiber
interagieren mit
Marktteilnehmern nach
Regeln der Netzstabilität
Schwellenwerte
PVerbr. . ≥ PEinsp
230V +/- 10%
Wirken der
Mechanismen zwischen
Einspeisung und
Verbrauch
9
Aufbau einer ONS:
Kommunikation / Fernwirktechnik
Transformator
Niederspannungsschaltanlage
WAGO I/O
- System
Mittelspannungsschaltanlage
10
Komponenten / Aufbau
Mittelspannungsschaltanlage
Niederspannungsschaltanlage
11
Komponenten / Aufbau
Regelbarer Transformator (RONT)
12
Spannungsregelung
Kommunikation / Fernwirktechnik
Visualisierung der
Messwerte,
Status Station usw.
Überwachung der
Niederspannungsabgänge und
Mittelspannungsebene
WAGO-Lösung
13
Fernwirktechnik Grundlagen
Fernwirktechnik
Zentrale Automatisierung räumlich verteilter Prozesse
Wikipedia:
Unter Fernwirken werden gewöhnlich steuerungstechnische,
regelungstechnische und sicherungstechnische Aufgaben verstanden, die
"aus der Ferne", also über ein Telekommunikationsnetz ausgeführt werden. Es
werden spezielle Datenübertragungsprotokolle genutzt, um die
Prozessdaten sicher über Weitbereichsnetze geringer Bandbreite und
Übertragungsqualität zu übertragen.
14
Fernwirktechnik Grundlagen
Netzleittechnik
Begriff für Versorgungsnetze (Strom, Gas, Wasser, Fernwärme)
Netzleittechnik = Netze überwachen und steuern
„Verbundleitsysteme“, „Querverbundnetze“: Kombinierte Leittechniken für
Strom, Gas, Wasser, Fernwärme
Zentrale Netzleittechnik (Leitwarte): Übergeordnete Steuerungsebene
(Rechner, Visualisierung, SCADA...), Zusammenfassung der Informationen
von dezentralen Anlagenteilen
15
Fernwirkprotokolle
Historisch
Personenbesetzte Umspannwerke / Telefon
proprietäre Protokolle der Leitsytemhersteller  Signalorientiert
IEC60870  Signalorientiert
IEC 61850  Objektorientiert
16
Fernwirkprotokoll IEC 60870-5
•
IEC 60870-5 - offener Kommunikationsstandard für die industrielle Automation, die in den
Bereichen der Infrastrukturautomation (Schaltanlagenleittechnik, Fernwirktechnik,
Netzleittechnik) angewendet wird
•
Anwendernormen:
– IEC 60870-5-101 normiert die Kommunikation zwischen Leitstelle und Unterstation. Die
Nachrichten werden typischerweise über serielle Verbindungen übertragen.
– IEC 60870-5-102 definiert Übertragung von Zählerständen über das Stromnetz.
– IEC 60870-5-103 definiert serielle Kommunikation zwischen Schutzeinrichtungen
und Steuerung.
– IEC 60870-5-104 definiert Übertragung per TCP/IP-Protokoll, unabhängig von der
Physik.
17
Fernwirkprotokoll IEC 60870-5
18
Fernwirkprotokoll IEC 61850 / IEC 61400-25
• IEC 61850 - Übertragungsprotokoll für Schutz- und Leittechnik in elektrischen
Schaltanlagen der Mittel- und Hochspannungstechnik.
• Offenes Konzept für Kommunikation zwischen Leitstelle und Feld- und
Schutzgeräten, wird auch auf andere Anwendungsfälle adaptiert
• Protokoll basiert auf TCP/IP und der Manufacturing Message Specification
(MMS, standardisierter Austausch von Nachrichten im Produktionsbereich)
• IEC 61850 objektorientiertes Datenmodel
 IEC 60870 signalorientiertes Datenmodell
• Definition für Stationsbus, nicht verwendbar für Prozessdatenübertragung zwischen
Stationen und Netzleittechnik
• IEC 61400-25 (branchenspezifisches Datenmodell) - Kommunikation für die
Überwachung und Steuerung von Windkraftwerken
Wikipedia
© WAGO Kontakttechnik GmbH & Co. KG PMA Plk, JC 09.2011
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IEC 61850 Intelligent Electronic Device Model
61850 Kommunikation 61850 Intelligent Electronic Device Reale Geräte weltweit
© WAGO Kontakttechnik GmbH & Co. KG PMA Plk, JC 09.2011
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WAGO Fernwirksystem – Protokolle
WAGO unterstützt Standard Protokolle mit skalierbarer Hardware
Protokoll
Organisation
DNP3 (in Vorbereitung)
North America; DNP User Group
IEC 60870
IEC
-101 (serial)
-103 (Schutzgeräte)
-104 (TCP/IP)
IEC 61850 / 61400-25
IEC
MODBUS
Schneider Electric, MODBUS.org
zertifiziert !
IDA
RTU
TCP
21
PFC200 Telecontrol Variante
Eigenschaften im Detail
•
System 750
– Cortex A8 600 MHz; 256MB/256MB/128kB
– Leistungsfähiges System mit ca. 400
verschiedenen Modulen
•
Vielfältige Schnittstellen
–
–
–
–
•
2 x Ethernet 10/100
RS-232/485
CAN, CANopen
Profibus Slave
Programmierbar
– 5 IEC Sprachen: AWL, ST, FBS, KOP, AS
– Hochsprachen: C, C++
– Shell Skripte, PHP, Python, …
•
Wartungsfrei
– Passive Kühlung (ohne Lüfter)
– Uhr, Remanentdaten (keine Batterie)
– SDHC bis 32GB (keine beweglichen Datenspeicher)
22
Vorteile im Detail
•
Geringe Bauform mit hoher Leistung
– ca. vierfache Leistung eines 750-880
•
Offene und frei verfügbare Standards
– Linux V3.6 (OSADL „latest stable“)
•
SPS und IT Funktionen in einem Gerät
– Modbus TCP, UDP, RTU
– DHCP, DNS, SNTP, FTP, Telnet, HTTP
– Filesystem
•
Visualisierung über Web-Server
– Web Based Management (Konfiguration)
– Applikationsvisualisierung (CoDeSys Web
Visu)
• Einfache Visu über Standard Browser
• Kompatibel zu Web Panels
23
Eigenschaften
 VPN Security IPsec und OpenVPN
 Kompatibel mit WAGO Fernwirklösungen
IEC60870-5-101/ -103/ -104
IEC61850 MMS & GOOSE
Vorteile
 Sichere Kommunikation direkt aus der Steuerung
Kundennutzen
 Verwendung in IT-sicherheitskritischen Infrastruktur Anwendungen
wie Energieverteilnetze
24
3-Phasenleistungsmessklemmen
Leistungs- und Energiemessung an einem
Verbraucher im 480V AC Netz.
Leistungs- und Energiemessung an einem
Verbraucher im 690V AC Netz,
inkl. Neutralleitermessung
Verbraucher
Verbraucher
25
3-Phasen Leistungsmessklemmen
Messgrößen
750-493
750-494
750-495
Energieverbrauch



Spannung



Strom



Wirkenergie/-leistung/-faktor
per Funktionsbaustein


Phasenlage
per Funktionsbaustein


Blindleistung/-energie


Scheinleistung/-energie


Drehfelderkennung










Leistungsfaktor
()
4-Quadranten-Betrieb
(induktiv, kapazitiv,
Verbraucher, Erzeuger)
Frequenz
Oberwellenanalyse
(bis zur 41. Harmonischen)

Neutralleitermessung

26
Stromwandler
Rogowski coil
27
WAGO-I/O-CHECK
•Visualisierung von
Messergebnissen
•Einstellungen von Default
Werten
•Kalibrierung der Klemmen
28
WAGO-I/O-CHECK
•Visualisierung von
Messergebnissen
29
Serielle Schnittstellen-Klemme RS232/422/485
Einbindung externer Quellen wie z.B.:
Netzanalysegeräte
Erd- & Kurzschlussanzeiger
Elektronische Zähler
Wetterstationen
30
Monitoring-Lösungen für ONS/RONT
Beispiel Nachrüstung
Fernwirkcontroller mit
3-Phasen Leistungsmessklemme,
PT 100 Modul und 2-DI-Klemme
GSM Router
Kapazitives Puffermodul
Rogowskispulen
Konfiguration
Spannungsabgriffklemmen mit
integrierter Sicherung
31
Steuerung mit einfacher Fernwirktechnikschnittstelle
•
In CODESYS integrierter Konfigurationsdialog für
– IEC 60870-5-101 / -103 /-104
– IEC 61850-7
– IEC 61400-25
32
Steuerung mit einfacher Schnittstelle zur Fernwirktechnik
• Diagnose + Parametrierung mit integriertem WEBServer
– Energieverteilnetze
– Windkraft Anlagen
– Einspeisemanagment für
Erneuerbare Energie
Anlagen
33
Weitere ONS-Applikationen:
34
Fazit
 Eine Entwicklung hin zu „Smarter Grids“ ist unumgänglich
 Intelligente Fernwirktechnik ist/wird als ein entscheidender Baustein
zur Netzstabilisierung beitragen
 Zukünftiges Zusammenspiel von Informations-, Kommunikationsund Sicherheitstechnik
35
Automatisierungstage (05./06. Februar 2014)
Ich bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit !
Heiko Tautor
Market Management Industry & Process
Energy / Erneuerbare Energien
eMail: [email protected]
36

IEC 60870-5 - Hochschule Emden/Leer

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