Eine Netzwerkmanagement-Schnittstelle für Geräte zu erstellen, die verschiedene Protokolle nutzen, kann zu Lasten der Effektivität und Sicherheit von Automatisierungsnetzwerken in Umspannstationen führen. Ein effizientes und visualisiertes PRP-/ HSR-Netzwerkmanagement hingegen kann Risiken und Management-Probleme vermeiden.

Die traditionelle Struktur von Automatisierungssystemen für Umspannstationen ist ein verdrahtetes End-zu-End-Netzwerk. Dieses stellt sicher, dass die gesamte Kommunikation in Echtzeit von statten geht und kurze Reaktionszeiten sichergestellt sind. Sofern die Netzwerkkommunikation jedoch auf ein Ethernet-basiertes Netzwerk aufgerüstet wurde, sind natürlich alle Ethernet-Geräte, wie Switches und Router, ans Ethernet angebunden. Daraus resultiert eine potenzielle Netzwerkkommunikations-Latenz aufgrund von wechselnden Topologien, Datenverkehrsstau oder Priorisierung von Paketwarteschlangen. In betriebskritischen oder zeitsensiblen Anwendungen können selbst Netzwerkunterbrechungen im Millisekunden-Bereich nicht toleriert werden, da sie den Systembetrieb stark beeinträchtigen oder die Sicherheit des Personals vor Ort gefährden können.
Der Standard IEC 62439 besagt, dass die Zeit, welche die Anlage zur Wiederherstellung benötigt, bevor Notfallmaßnahmen wie die Notabschaltung oder der Sicherheitsmodus einsetzen, weniger als 10 Millisekunden betragen sollte. IEC 61850 Edition 2 besagt außerdem klar, dass die Kommunikationsredundanz-Zeiten von GOOSE- (Generic Object Oriented Substation Events) und SMV-Protokollen ((für was steht SMV??)) in den Automatisierungssystemen von Umspannstationen stoßfrei sein müssen.

PRP-/ HSR-Redundanzprotokolle

Die Protokolle PRP (Parallel Redundancy Protocol) und HSR (High-availability Seamless Redundancy), die in IEC 62439-3 beschrieben werden, sind zwei Technologien, die nahtlose Ausfallsicherung von einer einzelnen Fehlerstelle (Single Point of Failure) ermöglichen. PRP erzielt Netzwerkredundanz durch die Paketduplizierung über zwei voneinander unabhängige Netzwerke, die parallel betrieben werden. HSR hingegen wurde vorrangig für Ringtopologien entwickelt.
Auf Basis dieser beiden nahtlosen Redundanzprotokolle kann eine Redundancy-Box (RedBox) nicht-HSR- oder nicht-PRP-Endgeräte, die an HSR- oder PRP-Netzwerke angebunden sind, schnell und mit null Umschaltzeit einschalten. Betriebskritische Kommunikationsanwendungen in der Automatisierung von Umspannstationen können von diesen Redundanztechnologien profitieren, da sie die Netzwerkzuverlässigkeit sicherstellen.

Fehler erkennen

Netzwerke nutzen üblicherweise MAC- (Media Access Control) und IP-Adressen als Steuereinheiten, die das Netzwerk sowie verschiedene Netzwerkgeräte steuern. PRP/HSR sind jedoch sehr neue Technologien, die Datenpakete auf Link-Ebene duplizieren, in dem sie die gleiche MAC-Adresse nutzen und dabei sicherstellen, dass am Client-Ende Pakete auch bei Kommunikationsproblemen empfangen werden können. Unglücklicherweise ist das aktuelle Netzwerkmanagement-System nicht in der Lage festzustellen, dass das Paket dupliziert wurde, daher kann der Anwender nicht sehen, ob beide Pakete empfangen oder nicht empfangen wurden. Das Erkennen, ob beide Pakete empfangen oder nicht empfangen wurden, liefert wichtige Informationen über die Qualität des Links und den Zustand des redundanten Netzwerks. Da Systemadministratoren den Echtzeit-Status des redundanten Netzwerkes jedoch nicht kennen, sind PRP-/ HSR-Netzwerke schwierig zu steuern und zu überwachen. Die Fehlersuche und -behebung redundanter Pfade wird ebenfalls zu einer großen Herausforderung, weil die fehlerhafte Stelle im Netzwerk unbekannt ist.

Geräte im Netzwerk

Manufacturing Messaging Specification (MMS) ist in der Kommunikation IEC 61850-konformer Systeme das wichtigste Protokoll für die Steuerung und den Datentransfer. Da jedoch immer mehr Netzwerkgeräte zunehmend in den IEC 61850-Systemen eingesetzt werden, sind auch solche Geräte für die Kommunikation und Steuerung wichtig geworden, auf denen MMS nicht läuft wie Industrial Ethernet Switches und Embedded Computer. Im Gegensatz zu IEC 61850-Geräten ist das heutzutage für die Verwaltung von IT-Ausstattung eingesetzte Protokoll das Simple Network Management Protocol (SNMP) - ein deutlich von MMS abgegrenztes Protokoll, das auf einer komplett anderen logischen Struktur basiert. Da PRP-/ HSR-Geräte Supervision Frame für die Gerätesteuerung nutzen, ist es schwierig, die beiden Systeme zur Steuerung und Überwachung zu integrieren.
Die Tatsache, dass es verschiedene Geräte- und Netzwerkmanagement-Protokolle gibt - MMS für IEC 61850-Steuergeräte und SNMP für IT- oder Netzwerkgeräte - führt dazu, dass die Central Management Suite wie etwa Power-Scada, Steuer- und Netzwerkgeräte nicht gleichzeitig zentral verwalten kann. Aufgrund der Tatsache, dass die meisten auf dem Markt erhältlichen Power-Scada-Software-Suites nur mit MMS, aber nicht mit SNMP oder Supervision Frame kompatibel sind, wird die Netzwerkverwaltung mit einem einzelnen Power-Scada-System unmöglich; denn die Netzwerkgeräte sind im Power-Scada nicht zu sehen. In Konsequenz bedeutet das, dass die Netzbetreiber möglicherweise nicht in der Lage sind, Systeme mithilfe der Informationen aus dem Power-Scada effizient und effektiv zu korrigieren und Ausfälle zu verhindern. Die unten genannten Lösungen können dazu beitragen, die effiziente, effektive Verwaltung von PRP-/ HSR-Automatisierungsnetzwerken in Umspannstationen einzurichten.

Anbindung an PRP-/ HSR-Netzwerk

Native PRP-/ HSR-Computer für Umspannstationen können eine wichtige Rolle in hochverfügbaren, intelligenten Umspannstationen spielen. Einige Anwender haben bisher die PRP-/ HSR-RedBox eingesetzt, um konventionellen Computern die Anbindung an ein PRP-/ HSR-Netzwerk zu ermöglichen. Das konnte das Risiko für den Ausfall eines einzelnen Knotenpunktes im Netzwerk bergen. Der Einsatz eines nativen PRP-/ HSR-Computers kann genau dieses Risiko stattdessen vermeiden.
Der beste Einsatz eines nativen PRP-/ HSR-Computer für Umspannstationen ist jener als PRP-/ HSR-fähiger Power-Scada-Management-Server. Mit eingebauter, speziell entwickelter PRP-/ HSR-Management Middleware kann der PRP-/ HSR-Management-Server das Power-Scada dazu befähigen, Rohdaten von verschiedenen verteilten Geräten zu sammeln und auszuwerten. Der aktuelle redundante Netzwerkstatus kann vollständig überwacht werden, und der Ausfall eines einzelnen Knotenpunkts kann sofort festgestellt werden. Dadurch wird die Fehlersuche und -behebung in Echtzeit zur einfachen Aufgabe. Selbst Netzwerkadministratoren mit geringen Kenntnissen der PRP-/ HSR-Technologie können das PRP-/ HSR-Netzwerk auf einer einzelnen Power-Scada-Plattform einfach verwalten, überwachen und die Fehlerdiagnose durchführen.
Die Middleware fürs PRP-/ HSR-Management sollte in der Lage sein, sowohl SNMP-, als auch MMS-Schnittstellen zu unterstützen. Ebenso ermöglichen sollte es die Anbindung verschiedenster Geräte, die in Umspannstationen eingesetzt werden und mit unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen laufen. Die Integration von Middleware und Power-Scada ermöglicht das Lesen und Einsetzen aller Daten im Power-Scada-System der Umspannstation über das MMS-Protokoll. Die Betreiber von Umspannstationen finden es einfach, sämtliche Geräte im PRP-/ HSR-System über die Visualisierungs-Werkzeuge des Power-Scada zu verwalten. Zusätzlich dazu wird die Fehlerdiagnose ebenso einfach wie die Anzeige einzelner Fehlerquellen, wodurch das Automatisierungssystem der Umspannstation und jede andere PRP-/ HSR-Anwendung zuverlässiger und stabiler laufen.

Diagnose und Statusüberwachung

Obwohl es einen einheitlichen Standard für das PRP-/ HSR-Protokoll gibt, gibt es keinen Standard für die Netzwerkmanagement-Schnittstelle. Der Einsatz eines PRP-/ HSR-Management-Servers mit eingebauter Middleware kann dabei helfen, alle Rohdaten von verschiedenen Geräten auf einer einzelnen Verwaltungsplattform zu sammeln, analysieren und integrieren. Dadurch werden die Netzwerkdiagnose, Fehlerdiagnose und Geräte-Statusüberwachung einfacher als je zuvor.