Kommunikationslösungen in der Energiewirtschaft mit zenon erreichen

Hochverfügbarkeit ist in der Energiewirtschaft von größter Bedeutung. Sie ist eine wichtige Voraussetzung für eine kontinuierliche Stromversorgung und einen sicheren Betrieb von Anlagen. Das Kommunikationsnetzwerk muss auch dann zuverlässig funktionieren, wenn eine Anlage ausfällt oder für Wartungsarbeiten außer Betrieb gesetzt wird. Eine hohe Verfügbarkeit wird beispielsweise durch eine redundante Architektur mit mehreren Supervisory-Control-and-Data-Acquisition (SCADA)-Servern erreicht, die über verschiedene Ethernet-Kommunikationsschnittstellen verfügen.

Eine Softwareplattform wie zenon bietet leistungsstarke Funktionen für einen redundanten Betrieb von Kommunikationsanlagen. Der Primärserver und der Standby-Server werden kontinuierlich synchronisiert und erhalten stets eine redundante Verbindung zu den jeweiligen Geräten aufrecht. Bei einem unkontrollierten Ausfall des Primärservers übernimmt der Standby-Server und verhindert so Datenverlust. Auch präventive Szenarien werden unterstützt. So ermöglicht zum Beispiel die „bewertete Redundanz“ in zenon die Überwachung bestimmter Kennzahlen innerhalb des Systems. Bewegt sich ein Wert in die Nähe des dafür definierten kritischen Bereichs, kann automatisch eine kontrollierte Umschaltung ausgelöst werden. Dadurch lassen sich kritische Systemzustände reduzieren oder gar verhindern.

In der Energiewirtschaft werden heute verschiedene Protokollstandards für Automatisierungs- und Steuerungslösungen diskutiert. Dank der einfachen Umsetzung an kleineren Standorten war früher – und ist in einigen Fällen noch immer – Modbus das Protokoll der Wahl für die Überwachung und Steuerung sowohl vor Ort als auch aus der Ferne. Aufgrund seines universellen Aufbaus findet sich in einigen Konfigurationen auch das Protokoll OPC UA. Die Mehrheit der neuen und umgerüsteten Anlagen setzt heute allerdings auf DNP3, IEC 60870 oder IEC 61850 bzw. vergleichbare Kommunikationsprotokolle, die speziell für den Einsatz in kritischen Energieanwendungen entwickelt wurden. Diese bieten neben praktischen Datenmodellen und Diensten für den Datenaustausch mit der Anwendung auch durchdachte Mechanismen im Backend.

Das Protokoll DNP3 wurde zum Beispiel speziell speziell für den Einsatz in abgeschiedenen Gegenden mit schlechter Bandbreite oder instabiler Verbindung entwickelt. Durch einen konsistenten Handshake zwischen dem DNP3-Master und der DNP3-Outstation wird sichergestellt, dass der Master Wertänderungen ordnungsgemäß empfängt. Erst dann gilt die Transaktion für beide Kommunikationspartner als erfolgreich, woraufhin die Outstation ihren lokalen Sendepuffer löscht. Ein besonderer Vorteil ist, dass dieses Protokoll die vorhandenen Netzwerkressourcen äußerst wirtschaftlich nutzt und damit selbst bei eingeschränkter Bandbreite funktionsfähig bleibt.

Das obige Beispiel zeigt, dass mit Kommunikationsprotokollen wie DNP3, IEC 60870 oder IEC 61850 auch der aktuelle Stand der Kommunikation berücksichtigt werden kann. In einem SCADA-System muss etwa jederzeit nachvollziehbar sein, ob eine Datenverbindung oder die Datenqualität schlecht ist, eine Verbindung unterbrochen wurde oder ein Gerät sich unerwartet verhält.

Das Open-Systems-Interconnection(OSI)-Modell charakterisiert Kommunikationsfunktionen innerhalb eines Protokollstacks. Ein Protokoll als Ganzes wird dabei in verschiedene funktionale Ebenen zerlegt, beginnend mit der physischen Konfiguration (Ebene 1) und endend mit der eigentlichen Anwendungsfunktion (Ebene 7). Die dazwischen liegenden Ebenen dienen der Adressierung und Weiterleitung einzelner Telegramme sowie der Zuordnung von Datenpaketen im Rahmen einer persistenten Kommunikationssitzung. Am häufigsten kommt hierbei der auf Ethernet-Physik basierende TCP/IP-Stack zur Anwendung. Dieser Stack bildet die Grundlage für das Internet.

Bei den Protokollebenen, die für die „Lenkung“ der Telegramme durch die verschiedenen Bereiche des Kommunikationsnetzwerks zuständig sind, können Techniken zur Stärkung der Robustheit der Kommunikationsverbindung angewendet werden. Immer dann, wenn mehrere Pfade zwischen Sender und Empfänger möglich sind, kann eine Störung des genutzten Pfades durch die Verwendung eines alternativen Pfades kompensiert werden. Hierfür gibt es verschiedene technische Ansätze. Das RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) ist beispielsweise in der Lage, schnell einen neuen Pfad durch das Netzwerk zu ermitteln. Fällt ein bestimmter Pfad weg, wird umgehend der alternative Pfad aktiviert. Das PRP (Parallel Redundancy Protocol) und das HSR (High-Availability Seamless Redundancy Protocol) basieren beide auf dem Prinzip, dass ein Telegramm zweimal durch das Netzwerk gesendet wird. Dabei folgen die Telegramme unterschiedlichen physischen Pfaden. Selbst wenn einer dieser Pfade unterbrochen wird, erreicht das Telegramm sein Ziel über den zweiten Pfad.

Diese Verfahren kommen in Protokollstandards für Energieanwendungen zum Einsatz. Die Norm IEC 61850 bezieht sich speziell auf die Verbesserung der Belastbarkeit der Kommunikation mit den Protokollen PRP und HSR.

Die Norm IEC 61850, Communication and Systems for Power Utility Automation, definiert Kommunikationsstandards und Methoden für Intelligent Electronic Devices (IEDs), die in Umspannwerken über ein Ethernet-Netzwerk verbunden sind. Die Norm ist Teil der vom Technischen Komitee 57 der International Electrotechnical Commission (IEC) geschaffenen Referenzarchitektur für Stromversorgungsanlagen.

Die Norm umfasst mehrere Kommunikationsdienste, darunter die Client/Server-Kommunikation auf Grundlage des Manufacturing-Messaging-Specification(MMS)-Protokolls, das Generic-Object-Oriented-Substation-Event(GOOSE)-Protokoll zur schnellen Datenübertragung über das Netzwerk und das Samples-Values(SV)-Protokoll zur schnellen Übertragung von Analogwerten über das Netzwerk. 

Die Protokolle laufen in verschiedenen LANs oder TCP/IP-Netzwerken von Umspannwerken mit Hochgeschwindigkeits-Ethernet. Dadurch wird sichergestellt, dass sie die für Schutzsysteme erforderlichen Reaktionszeiten aufweisen. Die Norm umfasst das Open-System-Interconnection(OSI)-Modell für Ethernet, Layer-2-Redundanzprotokolle, High-Availability Seamless Redundancy (HSR) und das Parallel Redundancy Protocol (PRP).

Ein wichtiger Faktor für die Verfügbarkeit ist die Zeit, die es braucht, um nach einem Ausfall oder dem Verbindungsabbruch eines Geräts den Normalzustand wiederherzustellen. Damit die redundante Architektur das für Umspannwerke erforderliche Maß an Verfügbarkeit bietet, muss die Wiederherstellungszeit möglichst gering sein. Die Zeiten für die Wiederherstellung des Normalbetriebs für verschiedene Funktionen von Umspannwerken, wie von der Arbeitsgruppe 10 des Technischen Komitees 57 der IEC definiert, reichen von 100 bis 0 Millisekunden (ms), was auch als stoßfrei bezeichnet wird.

Auch wenn das oberste Ziel in einer dauerhaften, stabilen Verbindung besteht, muss eine Automatisierungslösung immer auf Situationen vorbereitet sein, in denen die übertragenen Daten „schlecht“ sind oder eine Verbindung abreißt. In solchen Fällen ist es wichtig, Störungen in der Kommunikationsarchitektur zu erkennen und entsprechend zu reagieren.

Kommunikationslösungen für die Energiewirtschaft mit der Softwareplattform zenon bieten mehrere Funktionen, um Kommunikationsfehler zu erkennen und proaktiv gegen Ausfälle vorzugehen. Die Protokolltreiber in zenon lassen sich nach Betriebsinformationen wie Kommunikationsstatistik und Verbindungsstatus überwachen. Jede Variable kann basierend auf ihren jeweiligen Statusinformationen auf Gültigkeit oder Funktionsfähigkeit überprüft werden. Auf dieser Grundlage lassen sich dann Abweichungen oder Unterbrechungen erkennen. Eine mögliche Reaktion darauf können spezifische Alarme oder Benachrichtigungen sein, um das Wartungspersonal entsprechend zu informieren. In schwerwiegenden Fällen könnte der betroffene Prozess auch in einen Sicherheitszustand versetzt werden.

Darüber hinaus bietet zenon eine native Funktion, mit der Datenpunkte aus verschiedenen Wertquellen gespeist werden können. Erweist sich eine primäre Wertquelle (ein Treiber) als unzuverlässig, kann das System automatisch auf eine alternative Datenquelle umschalten. Dies kann eine unterbrechungsfreie Fortsetzung des Betriebs unterstützen, sofern die zweite Datenquelle gleichwertige Daten liefert. Andernfalls kann auch eine alternative Datenquelle die Fortsetzung in einem sicheren Produktionszustand ermöglichen. Die Entscheidung zur Umschaltung auf eine alternative Datenquelle wird durch einen konfigurierbaren Algorithmus getroffen.

Ein redundantes Layout mit Primär- und Standby-Server kann sich im Falle von Kommunikationsstörungen als äußerst hilfreich erweisen. Mit der bewerteten Redundanz in zenon haben Sie die Möglichkeit, kontinuierlich den „Gesundheitszustand“ Ihres aktuellen Servers und des Standby-Servers zu bewerten. Auch hier lässt sich der Bewertungsalgorithmus auf Basis der verschiedenen Werte und Kennzahlen, die Sie von der Systemplattform (PC/Server) oder den Treibern erhalten, konfigurieren. Bestehen auf dem aktuellen Primärserver schwache Verbindungen, sind diese Schwächen auf dem Standby-Server unter Umständen nicht gegeben. In diesem Fall könnte das System eine nahtlose Umschaltung auf den Standby-Server auslösen. Während der neue Server den Prozess übernimmt, können mögliche Fehlfunktionen auf dem ehemaligen Primärserver untersucht und behoben werden.

Protokollstandards sind im Bereich der Energieautomatisierung von großem Wert, nicht zuletzt, um die Entwicklung neuer Funktionen und die Kompatibilität zwischen verschiedenen Geräten und Herstellern zu fördern. Mit der genauen Vorgabe, wie sich bestimmte Endpunkte unter bestimmten Umständen verhalten sollen, leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Belastbarkeit der Netzwerkkommunikation. Alle Transaktionen und Status sind klar definiert, was zudem die Überwachung bestimmter Verbindungen erlaubt. Die Konformität mit bestimmten Normen wie DNP3, IEC 60870 oder IEC 61850 ist aus diesem Grund eine wichtige Voraussetzung für gut verwaltete Kommunikationslösungen für die Energiewirtschaft. zenon bietet umfassende Unterstützung für diese Protokolle und hat hier bereits zu zahlreichen Verbesserungen in vielen Anwendungen geführt. COPA-DATA verfolgt das Normungsgeschehen in diesem Bereich sehr genau. So wurde zum Beispiel der IEC-61850-Client-Treiber von zenon vom TÜV SÜD nach Edition 2.0 zertifiziert. Dadurch wurde bestätigt, dass der Treiber zuverlässig funktioniert und aktuelle Funktionen unterstützt.

Ein weiterer kritischer Punkt ist das Thema Cybersicherheit. Dabei kommen in erster Linie Maßnahmen wie Authentifizierung und Verschlüsselung zum Tragen, um Angreifer daran zu hindern, ins Kommunikationsnetzwerk einzudringen und den Betrieb zu stören. Ein weiteres Ziel einiger dieser Maßnahmen besteht darin, die Integrität von Daten, Transaktionsabläufe und die Authentizität der kommunizierenden Geräte zu überprüfen. Die Norm IEC 62351-3 spezifiziert beispielsweise Anforderungen an die End-to-End-Sicherheit von TCP/IP-basierten Verbindungen über TLS (Transport Layer Security). TLS wiederum nutzt verschiedene kryptografische Verfahren für Schlüsselaustausch, Authentifizierung, Verschlüsselung oder Hashing. Zudem ermöglichen diese Verfahren eine sorgfältige Integritätsprüfung für die gesamte Kommunikation und helfen, den ordnungsgemäßen Ablauf der Kommunikation sicherzustellen. Grundsätzlich tragen solche Sicherheitsmechanismen zu einer zuverlässigen Kommunikation innerhalb Ihrer Gesamtlösung bei.