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Dokument 1 - Dokumentenserverhosting der SUB

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1. Vorbedingungen 1 HYDROCAL ist gestartet 2 Software der Erweiterungskarte ist gestartet Typischer Ablauf 1 Anwender stellt ber Displayfunktionen des HYDROCAL die Netzwerkparameter f r das IEC 61850 Interface ein 2 System stellt Verbindung zum HYDROCAL her 3 System pr ft ob es eine Anderung an der Konfiguration gab 4 System stellt ge nderte Parameter im System ein 5 System stellt ge nderte Parameter in der CID Datei ein System startet neu Alternativer Abl ufe Wenn keine nderung erforderlich normalen Betrieb fortsetzen Kritikalit t Sehr hoch System macht ohne Funktionalit t keinen Sinn Verkn pfungen Ziel 3 Tabelle 11 Use Case Netzwerkparameter einstellen vgl Quelle Kleuker 2013 S 68 7 Entwicklung der Serverapplikation 56 Wenn der Benutzer am HYDROCAL Netzwerkparameter einstellt die das Netzwerkinterface der Erweiterungskarte betreffen muss das System in der Lage sein die ge nderten Parameter in der CID Datei zu ndern und die nderungen am Interface zu speichern Wenn keine Anderungen am Interface vorliegen soll das System mit dem normalen Betrieb fortfahren Benutzer HYDROCAL SYSTEM Tabelle 12 Use Case Netzwerkparameter einstellen vgl Quelle Kleuker 2013 S 68 7 Entwicklung der Serverapplikation 57 Name des Use Case CID Datei ndern Nummer U3 Autor Fachverantwortlicher C Cohrs Ver
2. 7 4 welcher den logischen Knoten LPHD beschreibt Im Datenobjekt PhyNam Physical device name plate konnten passende Attribute f r die notwendigen Daten Hersteller Ger tetyp Seriennummer und Firmwareversion zugeordnet werden Dem Datenobjekt PhyHealth Physical device health konnte der Systemstatus zugeordnet werden Tabelle 3 zeigt eine bersicht ber 6 Entwicklung der SCL Dateien den LN Pysical device information mit einer Zuordnung der Daten des HYDROCAL Der Zeitstempel wird f r die zeitliche Zuordnung der Nachrichten der in Tabelle 3 befindlichen Attribute ben tigt Mit ihm kann festgestellt werden wie alt eine Nachricht ist Damit ist der Bereich Hardwarestatus abgedeckt Der logische Knoten LPHD wird in allen drei HYDROCAL Typen verwendet Datentyp Zugeordnetes Attribut Beschreibung der Daten STRING LPHDO PhyNam vendor Abfrage des Herstellers STRING LPHDO PhyNam swRev Abfrage der Softwarerevision STRING LPHDO PhyNam serNum Abfrage der Seriennummer STRING LPHDO PhyNam model Abfrage des Models STRING LPHDO PhyHealth stVal Abfrage des Systemstatus Timestamp LPHDO PhyHealth t zugeordneter Zeitstempel Revision 2 der IEC 61850 7 4 ist 2010 erschienen und erh lt eine Vielzahl neuer logischer Knoten Seit Januar 2014 unterst tzt der IEC 61850 Stack von SystemCORP der auf dem SC143 von Beck implementiert ist Revision 2 der IEC 61850 Gas in Fl ssigkeitsme
3. 7 Entwicklung der Serverapplikation 65 7 2 5 Programmablauf F r die Entwicklung des Programmablaufes wurde ein Beispiel aus der Anleitung f r den PIS10 Stack von SystemCORP zur Hilfe genommen vgl Abbildung 30 Server Calls Call backs IEC61850 Create IEC61850 LoadSCLFile IEC61850 Start Client Write My_User_Write Client Rea o ead My User Read IEC61850 Update IEC61850 Stop IEC61850 Free Abbildung 30 Programmablauf einer IEC 61850 Serverapplikation vgl System Corp 1 2010 S 14 Wenn der Server gestartet wurde l uft die Updatefunktion IEC61850 Update in einer Endlosschleife Neue Daten k nnen ber Callbackfunktionen vom Client bergeben oder bernommen werden Der Ablauf der Serverfunktionen soll bei der Umsetzung der Serverapplikation bernommen werden Zus tzlich zu den gezeigten Funktionen in Abbildung 30 wird das Auslesen der Daten des HYDROCALs vgl Use Case U1 in einer externen Schleife realisiert Ebenso soll bereits beim Systemstart der Typ des HYDROCALs erkannt werden Bei der Planung des Systemflusses wurde ebenso ber cksichtigt dass die Parameter des Netzwerkinterfaces der Erweiterungskarte zu jeder Zeit vom Benutzer ber das Display ge ndert werden k nnen vgl Use Case U2 Liegt eine Anderung vor wird die CID Datei angepasst und der SC143 neu gestartet Damit ist auch der Use Case U3 erf llt Alle Anderungen wurden in einem Ablaufplan zusammengetragen vgl An
4. 201 6 1 Eingesetzte Software In diesem Abschnitt wird die Entwicklung dieser beiden Dateien beschrieben F r die Entwicklung in der SCL sind keine Tools notwendig SCL Dateien k nnen mit einfachen Texteditoren erstellt und bearbeitet werden Es gibt jedoch Programme die bei der Erstellung von SCL Dateien hilfreich sind Die Firma Beck IPC liefert zu ihren Entwicklungskits eine Demoversion des ICD Designer einem Designtools f r ICD Dateien aus Dieses speziell f r den Bau von ICD Dateien ausgelegte Programm erm glicht mit Hilfe einer grafischen Benutzeroberfl che ein einfaches Erstellen von SCL Dateien Besonders unterst tzt es die Erstellung logischer Knoten Bereits bei der Auswahl des logischen Knoten werden die erforderlichen Objekte hinzugef gt und optional erforderliche Datenobjekte k nnen per Checkbox hinzugef gt werden vgl SystemCORP 2 2014 Jedem Datenobjekt wird ein Datentyp zugeordnet Der ICD Designer bernimmt die Erstellung der Datentypklassen und die Zuordnung der Objekte zu den Datentypen Gegen ber einem einfachen Editor bietet der Designer den Vorteil dass die Struktur der Dateien berpr ft und auf Fehler 6 Entwicklung der SCL Dateien hingewiesen wird Es ist ebenfalls m glich SCL Dateien f r die Edition 1 und die Edition 2 der IEC 61850 zu erstellen Die Demoversion unterst tzt ICD Dateien mit bis zu 100 Datenattributen Bei der Entwicklung der ICD Datei f r die HYDROCAL Ger te wurde diese Gre
5. Standards und Gesetze e EC61850 Projekt und Produktgegner e Mitbewerber Kulturkreis e HYDROCALS werden global eingesetzt 7 Entwicklung der Serverapplikation 50 Die Interessen der aufgelisteten Stakeholder m ssen bei der Entwicklung der Erweiterungskarte beachtet werden Ein besonderes Augenmerk ist hierbei auf die Gruppe der Endanwender zu legen Die unternehmensinternen Stakeholder in der Entwicklung in der Dokumentation und das Schulungspersonal sind f r die Ber cksichtigung dieser Interessen hauptverantwortlich zust ndig In der Praxis ist im Servicefall die Ausbildung des Servicepersonals unabdinglich wichtig um dem Endanwender qualifiziert Hilfestellung geben zu k nnen Weiterhin muss die Entwicklungsabteilung ein nach IEC 61850 konformes Produkt entwickeln Dieses wird durch das interne Qualit tsmanagement in der QM Abteilung kontrolliert Durch den Einsatz einer weltweitg ltigen Norm spielt der Kulturkreis einzig f r die Erstellung der Dokumentation eine Rolle Als n chstes werden die Ziele definiert und den beschriebenen Stakeholdern Zielen zugeordnet Ziel 1 Die Software muss die Mess und Alarmdaten aus dem HYDROCAL auslesen und IEC 61850 Clientsoftwarel sungen zur Verf gung stellen Stakeholder Entwickler Pr fer IEC 6180 Endanwender Auswirkung auf Entwicklung Die HYDROCAL Firmware muss erweitert werden Stakeholder sodass alle Daten abgefragt werden k nnen Pr fer En
6. Alarme Sensoren Systeminformationen eese 68 7 3 4 Funktionsgruppe Netzwerkparameter esses enne eene enne nnns 69 7 3 5 Funktionsgruppe Serverfunktionen Systemfunktionen esses 70 MICI CE CC 72 8 1 Auswahl Von Testtools eie ae idee de ee peret eese dene E pi queri pet ere YE de aa ent 72 8 2 Test mit Simflex Client Simulator enne enses 73 8 3 Test mit Omicron EDScout nie E tee e p GP ee o e ere a 74 8 4 Test der SCE Date ad 2 aha rentre etate pe eR QE nnns er Re pa qe ipti Reale erdt 75 8 5 IntegratiOnstest E E 76 8 6 Bewertung der Testergebnisse ene enne tene sensn enne nn sienten 77 Muri 78 9 1 Bewertung des Zeitmanagements eene eee enne enean 78 9 2 Bewertung des Projektverlaufes esses esses eene enne nennen nennen nnne 79 PEWA ol E 80 10 Literatutverzeichnis ooo tco e DO eere ns 81 No LEIT 83 12 Versicherung ber die Selbstest ndiekeit nennen enhn 85 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Screenshot Hydrosoft vgl EMH 2 2013 51 13 Abbildung 2 berblick der verwendeten Protokolle vgl Quelle SystemCORP 2010 S 4 16 Abbildung 3 Kommunikations bersicht vgl Quelle SystemCORP 1 2010 S 9 sesss 17 Abbildung 4 Beispiel f r einen logischen Knoten nennen nnne enne 19 Abbildung 5 Blockschaltbild des Hardwarentwurfes esses enne enne 23 Abbildung 6 Beispiel G
7. Messaging Specification Real Time Operating System Substation Configuration Language Simple Network Time Protocol Universal Asynchronous Receiver Transmitter Extensible Markup Language 1 Einleitung In Umspannwerken werden um einen sicheren Betrieb zu gew hrleisten eine Vielzahl von Messger ten unterschiedlichster Hersteller zur berwachung eingesetzt Jedes Messger t verf gt ber eigene Tools zur Fern berwachung in Leitstellen weil jeder Hersteller seine eigene Ger tesoftware mitliefert Um die berwachung eines Umspannwerks mit Messger ten unterschiedlicher Hersteller zu vereinfachen wurde die Norm IEC 61850 eingef hrt Die IEC 61850 ist ein objektorientiertes bertragungsprotokoll Eines dieser Messger te sind HYDROCAL Multi Gas in l Analysesysteme des Unternehmens EMH Energiemesstechnik GmbH die der berwachung der Hochspannungstransformatoren dienen Es gibt Leitstellensoftware die von HYDROCAL Kunden eingesetzt werden die die IEC 61850 als Schnittstelle verwenden Der HYDROCAL bietet zurzeit keine M glichkeit gem IEC 61850 zu kommunizieren In dieser Arbeit wird eine Erweiterungskarte entwickelt welche es dem HYDROCAL erm glicht normgerecht nach IEC61850 Mess und Alarmdaten zu bertragen Auf diese Weise soll die Integration des HYDROCALs in ein zentralisiertes berwachungssystem aller Messger tedaten erm glicht werden Die Arbeit ist wie folgt Aufgebaut Nach einer Vorstellung de
8. aufgebaut Zugeordnetes Attribut Beschreibung GGIO1 Alm1 subEna Abfrage des aktuellen Konfigurationszustand des Alarms 1 0 nicht konfiguriert GGIO1 Alm1 stVal Abfrage des aktuellen Alarmzustandes des Alarms 1 GGIO1 Alm1 cdcNs Abfrage des aktuellen Alarmstrings des Alarms 1 GGIO 1 Alm1 t zugeordneter Zeitstempel Tabelle 5 Zuordnungstabelle f r GGIO 6 Entwicklung der SCL Dateien 46 Nachdem allen Daten des HYDROCAL passende Objekte zugeordnet werden konnten wird mithilfe des ICD Designers die ICD Datei erstellt Ein Problem ist dass die Datei aufgrund der Beschr nkungen der Demoversion nicht komplett erstellt werden konnte Die Fertige ICD Datei berschritt das erlaubte Maximum von 100 Attributen Die ICD Datei wurde daher in mehreren Etappen erstellt und dann nach und nach im Editor zusammengef gt Dabei mussten die Datenklassen manuell angepasst werden Zur einfacheren berwachung von Daten werden f r jeden logischen Knoten ein Datensatz und ein Report angelegt In einem Report k nnen definierte Attribute gesammelt berwacht werden Reports k nnen sowohl in der ICD Datei als auch in der Anlagensoftware definiert werden Die erstellten Datens tze werden jeweils einem Report zugeordnet Die Reports werden von der Anlagensoftware sequenziell vom Server abgefragt Die Anlagensoftware berpr ft den Zeitstempel der Daten und die bertragene Daten Bei Bedarf k nnen diese Daten weiterverarbeitet
9. des aktuellen Sensorwert f r CO2 SIMLO CO2ppm mag t zugeordneter Zeitstempel 1008 SIMLO CH4ppm mag f Abfrage des aktuellen Sensorwert f r CH4 SIMLO CH4ppm mag t zugeordneter Zeitstempel 1005 1008 SIMLO C2H2ppm mag f Abfrage des aktuellen Sensorwert f r C2H2 SIMLO C2H2ppm mag t zugeordneter Zeitstempel 1005 1008 SIMLO C2H4ppm mag f Abfrage des aktuellen Sensorwert f r C2H4 SIMLO C2H4ppm mag t zugeordneter Zeitstempel 1008 SIMLO C2H6ppm mag f Abfrage des aktuellen Sensorwert f r C2H6 SIMLO C2H6ppm mag t zugeordneter Zeitstempel 1003 5 8 SIMLO Tmp mag f Abfrage der aktuell gemessenen Zelltemperatur SIMLO Tmp mag t zugeordneter Zeitstempel Tabelle 4 Zuordnungstabelle SIML In Abbildung 24 ist ebenfalls erkennbar dass f r Wasserstoff und lfeuchte vordefinierte Alarmobjekte vorhanden sind Definierte Alarmobjekte f r andere Gase und f r die Temperaturen fehlen Diese m ssten mit generellen Alarmobjekten abgebildet werden HYDROCAL Messger te bieten die M glichkeit 16 frei definierbare Alarme zu konfigurieren Daraus ergibt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Kombinationen Es ist nicht m glich vorauszusehen welcher Alarm welchem Sensor zugewiesen wird Die Konfiguration der Alarme wird vom Benutzer definiert Um diese kundenindividuellen Einstellungen zu erm glichen muss die ICD Datei bereits alle logische Knoten die sp ter ben tigt wer
10. die Entwicklung der Serverapplikation beschrieben Die Serverapplikation soll auf dem SC143 implementiert werden 7 1 Anforderungsanalyse Die in Kapitel 4 definierten Anforderungen die an die Software der Erweiterungskarte gestellt werden sollen zun chst in einer Anforderungsanalyse n her betrachtet werden Dazu sollen im ersten Schritt die Stakeholder ermittelt werden vgl Kleuker 2013 S 56ff 7 1 1 Stakeholder und Zieldefinition Die Stakeholder k nnen in die folgenden 12 Gruppen unterteilt werden vgl Kleuker 2013 S 56ff Endanwender e Fachkr fte in Leitstellen von Umspannwerken Kunden e HYDROCAL Servicetechniker e Vertriebsmitarbeiter auf Messen Management des Auftragnehmers e Gesch ftsf hrer der EMH e Vorstand MTE K ufer des Systems e HYDROCAL Kunden die die IEC 61850 zur berwachung von HYDROCAL Ger ten einsetzen m chten Pr fer Auditoren e QM Abteilung EMH 7 Entwicklung der Serverapplikation 49 Entwickler e Projektleiter Leitender Ingenieur B Riepenhusen e Hardware Schaltung C Cohrs Konstruktion H Luger Layout U Putensen und T Heinrich e Software C Cohrs e Firmware K Ahlers Wartungs und Servicepersonal e Fachkr fte in Leitstellen von Umspannwerken Kunden e HYDROCAL Servicetechniker Schulungs und Trainingspersonal e EMH Schulungspersonal Marketing und Vertriebsabteilung e EMH Vertieb e MTE Vertrieb Systemsch tzer e Entwickler
11. kann auch mit Hilfe von Sampled Values vgl IEC 61850 7 3 2010 nach dem Publisher Subscriber Prinzip erfolgen Die Daten werden zu Datens tzen zusammengefasst mit einem Zeitstempel versehen bereitgestellt und zwischengespeichert Der Subscriber liest die Daten des Publishers aus dem Zwischenspeicher aus und pr ft anhand des Zeitstempels das Alter der Daten vgl SystemCORP 1 2010 S 4 Das IEC 61850 Protokoll arbeitet objektorientiert Ger te in der IEC 61850 meist Substation genannt werden durch die Verwendung von IEC 61850 zu Intelligent Electronic Devices kurz IEDs Auf dem IED l uft eine Client oder Serveranwendung welche mit anderen Ger ten ber die bereits beschriebenen M glichkeiten GOOSE MMS SNTP oder Sampled Values kommuniziert vgl SystemCORP 1 2010 S 5 3 IST Analyse 17 d User Application f Calls Call backs IEC 61850 Protocol Integration Stack 010 Operating System LE SNTP Client TCP IP Ethernet Packet Network Interface Card Ethernet Abbildung 3 Kommunikations bersicht vgl Quelle SystemCORP 1 2010 S 9 Abbildung 3 zeigt eine Kommunikations bersicht der IEC 61850 Auf dem IED l uft eine Software welche die eigentliche Funktionalit t des Ger tes gew hrleistet zum Beispiel die Firmware eines Messger tes Diese Software bergibt die Daten an den IEC 61850 Protokoll Integration Stack Dieser Stack hat die Aufgabe de
12. mit dem HYDROCAL AAA 25 5 1 3 Modul 3 Ethernetschnittstelle des SCIA AA 26 5 2 Inbetriebnahme ee eter ed ee og rete te Saa ahaaa e Rp dei 30 5 2 1 Phase 1 erste Inbetriebnahme eene enne tnnt ennt nnne 30 5 2 2 Phase 2 Redesigti een eee eee ees ee pee e CU ERU dE feed eg eere 32 5 2 3 Phase 3 zweite Inbetriebnahme esses entente nnne nnne 34 6 Entwicklung der SCLE Datelen eiuie ette eerie reete tete e ether eta cr d dete o ete ado igna nue 37 6 1 Eingesetzte SOTtWBIG ut od crece nn inkl un ge kr sae nione es 37 6 2 Entwicklung der ICD Dateien 38 6 3 Entwicklung der CID Dateien 47 7 Entwicklung der Serverapplikation eseseeeseseseeee eene nennen enne enters nnne nnns 48 7 A Anforderungsanalyse oe utentes 48 7 1 1 Stakeholder und Zieldefinition AANEREN 48 7 1 2 Us amp Case Ermittlung ru ara kr er an in Heel eege EN 53 7 2 Grobdesien ar eee e s e etu e elf 61 7 2 1 Zu unterst tzende Hardware A 61 7 2 2 Entwicklungsumgebung esses eee eene nenne nernnn nasse en setis rasa sa sias sse ta agnis 61 K Schnittstellen citet dt ee en at ect ore RU etae Re c EE A edita 61 7 2 4 Grundf nktioneh uere BI EHI 63 7 2 5 Programmab lauf ier ris er dnte ki ceo qur ade ea apris en eene eer 65 E NN Ee 66 y c Ex DEDUREINE nenn een are an energie 66 7 3 2 F riktionsgruppe UART 3 entretenir eo EE ai ee x Pone Mao ene Adae aan A rE ERa 67 7 3 3 Funktionsgruppe
13. und beschreibt deren Funktion vgl SystemCORP 1 2010 S 13 Befehl Beschreibung IEC61850 Create Erstellt einen IEC 61850 Server oder Client mit den folgenden Funktionen IEC61850 LoadSCLFile L dt die SCL Datei um die Server oder Clientkonfiguration zu erhalten IEC61850 Start Startet den IEC 61850 Server oder Client IEC61850 Stop Stoppt den IEC 61850 Server oder Client IEC61850 Free Gibt Server oder Clientobjekte wieder frei IEC61850 Read Liest den Wert eines Datenattributes IEC61850 Write Schreibt den Wert eines Datenattributes IEC61850 Update Updatet den Wert eines Datenattributes Tabelle 16 Liste der PIS10 Befehle vgl Quelle SYSTEM CORP 1 2010 S 13 7 Entwicklung der Serverapplikation 63 7 2 4 Grundfunktionen Nachdem im letzten Abschnitt die Schnittstellen beschrieben wurden werden in diesem Abschnitt die grundlegenden Funktionen erl utert welche f r den Betrieb notwendig sind Da es sich bei der zu entwickelnden Software um ein C Programm handelt entfallen berlegungen zum Klassendesign Funktionsgruppe UART Es muss eine Funktion geben mit der das Programm eine Verbindung ber die serielle Schnittstelle zum HYDROCAL aufbaut einen Befehl an den HYDROCAL sendet und die Antwort vom HYDROCAL sendet Die Funktion muss den zu senden Befehl entgegennehmen und die Antwort zur ckgeben Funktionsgruppe Alarme Es muss eine Funktion gebe
14. 0 die verschiedene Substations abzubilden und zu berwachen HYDROCAL Ger te verf gen zurzeit ber keine M glichkeit ber IEC 61850 zu kommunizieren Daher ist es nicht m glich einen HYDROCAL in berwachungssysteme zu integrieren Eine Integration des HYDROCAL in Fremdsysteme ist momentan mit Hilfe analoger 0 20mA Ausg ngen m glich 3 2 Bewertung Die IST Analyse zeigt zwei verschiedene Ans tze der berwachung wenn Ger te verschiedener Hersteller gleichzeitig eingesetzt werden Der erste Ansatz speziell auf die Ger te abgestimmte Softwarel sungen der Hersteller zu nutzen hat den Vorteil dass sie s mtliche Funktionen des Ger tes optimal abbilden In der Gas in l Analyse des HYDROCAL mit Hydrosoft gibt es Verfahren wie zum Beispiel das Duval Dreieck Bei diesem werden ausgew hlte Messwerte in Relation gesetzt und auf einem Dreieck dargestellt Je nach lsorte gibt es auf diesem Dreieck verschiedene Zonen welche f r verschiedene Fehler im Transformatorbetrieb hindeuten Die berwachung der Gaskonzentrationen k nnen mit Hydrosoft viel detaillierter erfasst und in Relation gesetzt werden Ein Nachteil dieses Ansatzes ist die fehlende bersicht aller zur berwachung notwendigen Messdaten Die berwachung ist f r den Facharbeiter aufwendig und zeitintensiv Die Wartung und die Schulung solcher dezentralen Softwarel sungen sind aufwendig und kostspielig Aus diesem Grund w nschen sich die Unternehmen eine zentra
15. A EEN A el c1 a GND s C4 J Ue T US UCSIN GND 22pF R1 Y1 SKI H1 an c5 Ss mH our SC1x3 Seng H lt Supervisory Circuit st 12 GND aav Lu RE cPucik o e 3000980MHz s 2 VDD ECH L i c7 L cs GND GND L GND Abbildung 6 Beispiel Grundschaltung des SC143 vgl Quelle Beck 1 2010 S 54 Der SC143 hat eine Betriebsspannung von 3 3 Volt Die vom HYDROCAL f r Modems zur Verf gung stehende Betriebsspannung betr gt jedoch 5V Laut Datenblatt vertr gt der SC143 3 3V 5 vgl BECK 1 2010 S 44 Die Betriebsspannung darf demnach nicht h her als 3 465V liegen Die Spannung muss daher begrenzt werden Dieses Problem wurde durch den Einsatz eines LT1129 Spannungsreglers gel st Dieser regelt die Eingangsspannung von 5V auf eine Ausgangsspannung von 3 3V um vgl Linear Technology 1994 Abbildung 7 zeigt die eingesetzte Schaltung 5V YR 3V3 iE Ai C22 C23 C24 C25 10uK 1uK NI ISFILT1129 10uK 1uK GND GND GND GND GND Abbildung 7 Spannungsreglung vgl Quelle Anhang 2 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 25 Wie auf Abbildung 6 zu erkennen ist wird ein externer berwachungsschaltkreis f r den Reset des SC143 ben tigt Ein interner berwachungsschaltkreis existiert nicht vgl BECK 1 2010 S 41 Der berwachungsschaltkreis dient zum berwachen der Eingangsspannung Wenn die Betriebsspannung unter einen bestimmten Wert f llt oder eine Reseta
16. Ds mithilfe eines f nfstelligen Zahlencode zugeordnet Jedem Objekt der CID Datei ist dabei eine einzigartige Nummer zugeordnet vgl Anhang Zuordnungstabelle ID HC1003 HC1005 HC1008 1 H2 H2 H2 2 C2H2 C2H2 3 C2H4 C2H4 4 co co co 5 Cell Temp Cell Temp co2 6 Oil Temp Oil Temp C2H6 7 Oil Hum Oil Hum CHA 22 Cell Temp 23 Oil Temp 24 Oil Hum Tabelle 17 Sensorzuordnung HYDROCAL Es sollten die HYDROCAL Ger tetypen HYDROCAL1008 HYDROCAL1005 und HYDROCAL1003 gleicherma en unterst tzt werden Tabelle 4 in Kapitel 6 zeigt die unterschiedlichen Ausstattungsmerkmale der Ger te Der Befehl zum Abrufen der Sensoren setzt sich aus dem 7 Entwicklung der Serverapplikation 71 Befehl READS und der SensorlD ID zusammen Die Zuordnung der SensorlD zu den Sensoren ist jedoch bei den verschiedenen Ger ten unterschiedlich vgl Tabelle 17 Es ist wichtig dass der richtige Sensorwert dem richtigen Objekt des IED zugeordnet wird Entscheidend ist auch dass wirklich die richtige CID Datei geladen wird Hierzu muss der korrekte Ger tetyp erkannt werden In der Serverapplikation wird deshalb vor dem Start des IEC 61850 Servers zuerst der Ger tetyp ermittelt vgl CODE 1 physicaldata c Anschlie end wird die passende CID Datei angepasst und der Server gestartet Zus tzlich zur Ger teerkennung wird die Sensorkonfiguration entsprechend der oben aufgelisteten Sensorzuordnung
17. Fakult t Technik und Informatik Department Informations und Elektrotechnik Hochschule f r Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Bachelorthesis Clemens Rubin Cohrs Entwicklung einer IEC61850 konformen Erweiterungskarte zur bertragung von Mess und Alarmdaten Faculty of Engineering and Computer Science Department of Information and Electrical Engineering Clemens Rubin Cohrs Entwicklung einer IEC61850 konformen Erweiterungskarte zur bertragung von Mess und Alarmdaten Bachelorthesis eingereicht im Rahmen der Bachelorpr fung im Studiengang Informations und Elektrotechnik am Department Informations und Elektrotechnik der Fakult t Technik und Informatik der Hochschule f r Angewandte Wissenschaften Hamburg Betreuender Pr fer Prof Dr rer nat Henning Dierks Zweitgutachter Prof Dr Jochen Schneider Abgegeben am 31 Oktober 2014 Clemens Rubin Cohrs Thema der Bachelorthesis Entwicklung einer IEC61850 konformen Erweiterungskarte zur Ubertragung von Mess und Alarmdaten Stichworte IEC 61850 Datenerfassung Mikrokontroller Hardwareentwicklung SCL IED Softwareentwicklung Kurzzusammenfassung Diese Arbeit handelt von der Entwicklung einer Erweiterungskarte f r ein Multi Gas in Ol Analysesystem Mit Hilfe der zu entwickelnden Erweiterungskarte sollen Mess und Alarmdaten normkonform gem IEC 61850 bertragen werden In der Arbeit werden zudem die Planung und di
18. Regionalorganisation Bezirksvereine Thueringen Facharbeit 20r egional Arbeitskreise Informationstechnik Documents MCMS Schulz IEC pdf Abruf 29 10 2014 GridClone GrindClone SimFlexTM Client Simulator 2012 http gridclone com pages simflexcs html Abruf 21 0kt 2014 HALO TG110 5006N1RL pdf 2013 Anhang 5 ICPLUS IP175G GH Data Sheet 2013 Anhang 2 Kleuker Stephan Grundkurs Software Engineering mit UML Der pragmatische Weg zur erfolgreichen Softwareprojekten Springer Vieweg 2013 Linear Technology LT1129 LT1129 3 3 LT1129 5 Micropower Low Dropout Regulators with Shutdown 1994 Anhang 3 Mail1 Pers Email RE Omicron IED Scout Demo v4 RID 14 007103 Abruf 16 Sept 2014 Anhang 13 MAXIM 4 Pin SC70 Microprocessor Reset Circuits with Manual Reset Input 2005 Anhang 4 Ne555 LOGIK PEGEL TTL 5V CMOS 3 3V CMOS 2009 http www ne555 at elektronik grundlagen digitaltechnik 310 logik pegel ttl 5v cmos 33v cmos html 27 Okt 14 Omicron IEDScout Vielseitiges Werkzeug f r die Arbeit mit IEC 61850 Ger ten 2014 https www omicron at de products all secondary testing calibration iedscout noc 1 Abruf 21 0kt 2014 SystemCORP 1 IEC 61850 Protocol API User Manual Protocol Integration Stack 2010 http www beck ipc com files manual IEC61850 Protocol API UserManual v02 pdf Abruf 23 10 2014 SystemCORP 2 ICD Designer2 New Release 2014 http www syste
19. U 32 18 8017670 192 168 1 33 192 168 1 12 MMS 286 confirmed Responserpu IML ST SIML Abbildung 34 Protokolldatei des Tests Abbildung 34 zeigt einen Ausschnitt des Datenverkehrs des fehlgeschlagenen Tests In Paket 27 wird ein Teil der Verzeichnisstruktur des CID Datei an den Client bertragen Anschlie end wird das Paket wiederholt gesendet Der Simflex Client Simulator erkennt 8 Tests 74 diese Fehl bertragung und das malformed Packet 30 Dies f hrte zum Abbruch und damit zum fehlgeschlagenen Test Die Ursache dieses Fehlers wird beim PIS10 Stack der Firma SystemCORP vermutet Das Problem wurde daher an den deutschen Distributor BECK weitergeleitet BECK gab daraufhin eine aktualisierte Version der PIS10 Stack Bibliothek frei Die aktualisierte Bibliothek wurde in der Serverapplikation gegen die alte Bibliothek ausgetauscht und der Test wiederholt Der Test konnte jetzt erfolgreich durchgef hrt werden Testname Beschreibung Srv1 Pr ft den kompletten Verbindungsaufbau Srv2 Pr ft ob beim Verbindungsaufbau eine Liste der logischen Knoten heruntergeladen werden kann Srv3 Pr ft ob beim Verbindungsaufbau eine Liste von Objekten heruntergeladen werden kann Srv4 Pr ft in einer ob wiederholt Daten f r die Objekte vom Server abgerufen werden k nnen Tabelle 18 bersicht ber die durchgef hrten Tests mit Simflex Client Simulator Tabelle 18 zeigt die durchgef hrten Tests m
20. Use Case Systemstart Nummer U4 Autor Fachverantwortlicher C Cohrs Version 1 0 01 Sept 2014 Erstellung Kurzbeschreibung Startvorgang des Systems Beteiligte Aktoren Systemintern Referenzen HYDROCAL Handbuch Vorbedingungen 1 HYDROCAL ist gestartet Typischer Ablauf 1 Herstellen der Verbindung zum HYDROCAL 2 Auslesen der derzeitig anliegenden Ger teparameter 3 Schreiben der Parameter in die CID Datei 4 Starten des IEC 61850 Servers Alternativer Abl ufe Im Fehlerfall wird das Ger t nach 3 Minuten neu gestartet Kritikalit t Sehr hoch System macht ohne Funktionalit t keinen Sinn Verkn pfungen Ziel 2 Tabelle 14 Use Case Systemstart vgl Quelle Kleuker 2013 S 68 Wenn der HYDROCAL gestartet wurde muss das System in der Lage sein selbstst ndig zu starten Wenn das System startet muss das System in der Lage sein den Typ des angeschlossenen HYDROCAL zu erkennen und das richtige CID Datei zu laden und die aktuellen Netzwerkparameter in das CID Datei zu schreiben Wenn das CID Datei vorbereitet wurde muss das System in der Lage sein einen IEC 61850 Server zu starten 7 Entwicklung der Serverapplikation 60 Wenn der Server nicht gestartet werden kann muss das System in der Lage sein sich ggf neu zu starten SYSTEM Abbildung 29 Use Case Systemstart 7 Entwicklung der Serverapplikation 61 7 2 Grobdesign Nachdem
21. als 5V tolerant beschrieben vgl BECK 1 2010 S 13 Eine direkte Kopplung sollte m glich sein Der SC143 arbeitet bei der seriellen Kommunikation mit 3 3V 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 26 TTL Pegeln Eine Untersuchung bis zu welchem Pegel der HYDROCAL die gesendeten Signale sicher erkennt ist n tig Laut Definition liegt ein High Pegel bei TTL ab einer Spannung von 2 0V am Eingang an Weiter gilt f r 3 3V TTL dass der Ausgangshighpegel mindestens 2 4V betr gt vgl Ne555 2009 Dies bedeutet eine Differenz von 400mV im schlimmsten Fall Aufgrund der kurzen Entfernung ist nicht mit gr eren ohmschen Verlusten zu rechnen Abbildung 10 zeigt die Beschaltung eines Modemsockels An diesen Sockel ist die UARTO des SC143 angeschlossen Die 5V und Ground GND werden ebenfalls vom Modemsockel bezogen Abbildung 10 Beschaltung des Modemsockel des HYDROCAL vgl Quelle Anhang 1 S 1 5 1 3 Modul 3 Ethernetschnittstelle des SC143 Im Handbuch des SC143 wird ein Beispielschaltkreis f r den Anschluss einer Netzwerkschnittstelle an den SC143 gezeigt vgl Quelle Beck 1 2010 S 55 Wie auf dem Bild erkennbar ist werden die Signale des SC143 an einen Pegelwandler vom Typ FS23 bergeben welcher die Signale f r die RJ45 Schnittstelle ST1 vorbereitet Laut Aufgabenstellung soll der HYDROCAL lediglich mit einer Datenzuleitung angeschlossen werden k nnen Wenn die Schaltung aus dem Handbuch umgesetzt werden w rde so
22. atz der IEC 61850 bietet der HYDROCAL dem Kunden einen h heren Investitionsschutz weil auch bei Wechsel der bergeordneten Software zur berwachung die Kompatibilit t durch die Verwendung von festgelegten Normen unproblematisch sein sollte Die Tests aus Kapitel 8 haben jedoch ergeben dass die Kompatibilit t noch nicht garantiert werden kann Eine Aussage in wieweit die Software der Erweiterungskarte kompatibel zu L sungen anderer Anbieter wie siemens Simotion SCOUT v4 ist kann erst nach einer Erprobungsphase im Kundenumfeld getroffen werden 9 3 Ausblick Die entwickelte Erweiterungskarte bietet f r zuk nftige Erweiterungen des HYDROCAL eine gute Basis Die Software ist f r Konfigurations nderungen in der Firmware vorbereitet sodass bei Anderungen der Firmware ein geringer Programmieraufwand entsteht Die IEC 61850 bietet jedoch noch weitere M glichkeiten die in diesem Projekt nicht betrachtet werden konnten In Zukunft sollen noch andere Funktionen des HYDROCAL wie das bushing monitoring mit Hilfe der IEC 61850 verf gbar gemacht werden Es w re m glich die Konfiguration des HYDROCAL nicht nur ber das Display sondern auch mit Hilfe der IEC 61850 durchzuf hren 10 Literaturverzeichnis BECK 1 Hardware Manual 2010 http beck ipc com files manual SC1X3HW v106 100218 pdf Abruf 21 0kt 2014 Anhang 1 BECK 2 sc143 2010 http beck ipc com de products sc1x3 sc143 asp Abruf 08 Okt 14 BECK 3 r
23. berpr ft ob durch Tauschen der Receive und Transmitleitungen das Problem behoben werden kann Bei der Verbindung zweier Microcontroller werden im Normalfall die Transmitpins des einen Controllers mit den Receivepins des anderen Controllers verbunden Um den Fehler ausschlie en zu k nnen dass einer der Controller eine direkte Verbindung erfordert wurden an der Stelle der Koppelkondensatoren die Receivepins des SC143 mit den Receivepins des IP175GH verbunden Dieses f hrte jedoch zu keiner Ver nderung des Ergebnisses des Verbindungstest Der Fehler wurde daher in der kapazitiven Kopplung der beiden Controller vermutet Eine Recherche nach hnlichen Problemen ergab dass es h ufiger Probleme in diesem Bereich gibt Der deutschen Distributor TOPAS welche den IP175GH in Deutschland verkauft beschreibt auf der Firmenhomepage dass bei einer kapazitiven Kopplung einer PHY to PHY Verbindung die Integrit t der Signale verletzt werden kann vgl TOPAS 2012 Zur L sung dieses Problems wurde der Einsatz eines Single Transformators empfohlen Der Transformator HALO TG110 5006N1RL wird zur Behebung solcher Probleme explizit empfohlen vgl HALO 2013 Der Transformator unterscheidet sich von den Pegelumsetzern die zum Anschluss einer Schnittstelle eingesetzt werden darin dass die Spule auf der Anschlussseite der Schnittstelle fehlt Der Singletransformator wird anstelle der Kondensatoren in die Schaltung eingesetzt Mit Hilfe von d nnem Kupf
24. d DK61 f r erste Tests angeschafft Bei dem Mikrocontroller handelt es sich um einen SC143 Im Lieferumfang befindet sich eine Lizenz f r die Verwendung des IEC 61850 PIS10 Software Stack Diese Lizenz erm glicht den Betrieb eines IEC 61850 Servers auf dem SC143 Eigenschaft Ausstattung des SC143 Bauform BGA177 25x25x5mm CPU SC186EX 96MHZ RAM 8MB Flashdisk 8MB UART 4 serielle Verbindungen Netzwerk 1x10 100BaseT 1x MII Betriebssystem RTOS Tabelle 2 Eigenschaften des SC143 vgl Quelle BECK 2 2010 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 23 5 1 Hardwarekonzept F r das Grundkonzept wurde dieses Blockschaltbild entwickelt HYDROCAL IEC 61850 UART EEN ETHERNET Abbildung 5 Blockschaltbild des Hardwarentwurfes Die Erweiterungskarte soll in den bestehenden Modemsockel eingesetzt werden ber diesen soll die Spannungsversorgung und die Kommunikation zwischen SC143 und HYDROCAL via serieller Schnittstelle erm glicht werden F r Updates des SC143 und f r Supportzwecke wird eine weitere vorhandene serielle Schnittstelle verwendet Mit Hilfe einer Netzwerkschnittstelle wird der SC143 mit dem Netzwerk verbunden 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 24 5 1 1 Modul 1 Entwicklung der Grundschaltung Zuerst wurde die Grundschaltung des SC143 entwickelt Als Grundlage dient ein Schaltungsbeispiel des Herstellers Beck vgl Abbildung 6 A3 3V EEN A
25. danwender Es muss bei der Entwicklung sichergestellt werden dass die Serversoftware kompatibel zu g ngigen Clientanwendungen ist IEC 61850 Die Daten des HYDROCAL m ssen dem richtigen logischen Knoten zugewiesen werden Randbedingung Abh ngigkeiten Ziel 4 Es m ssen f r jeden HYDROCAL die passenden Werte gew hlt werden Sonstiges Tabelle 6 Ziel 1 vgl Quelle Kleuker 2013 S 61 7 Entwicklung der Serverapplikation 51 Ziel 2 Die Software muss autonom laufen Stakeholder Entwickler Wartungs und Servicepersonal Endanwender Auswirkung auf Stakeholder Entwickler Fehlfunktionen abfangen Wartungs und Servicepersonal Endanwender Im Servicefall muss das Servicepersonal dem Endanwender qualifizierte Hilfestellung geben k nnen Randbedingung Abh ngigkeiten Ziel 3 Das System muss Konfigurations nderungen selbstst ndig erkennen und die CID Datei anpassen Sonstiges Tabelle 7 Ziel 2 vgl Quelle Kleuker 2013 S 61 Ziel 3 Die Netzwerkparameter der Erweiterungskarte sollen ber das Display des HYDROCALs eingestellt werden k nnen Stakeholder Entwickler Endanwender Schulungspersonal Auswirkung auf Stakeholder Entwickler Die HYDROCAL Firmware muss ber ein Men erweitert werden in welchem die Konfigurationsdaten f r die IEC 61850 Erweiterungskarte ge ndert werden k nnen Die neuen Funktionen m ssen im B
26. den enthalten Es gibt drei M glichkeiten dieses Problem zu l sen 1 Eine M glichkeit ist das Hinzuf gen der w hrend der Laufzeit tats chlich ben tigten logischen Knoten Dieses Vorgehen hat den Vorteil dass die verwendeten Alarme genau auf das richtige Objekt abgebildet werden k nnen Nachteil ist der erhebliche Programmieraufwand f r die Entwicklung der Serverapplikation f r die Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationsm glichkeiten F r jeden Alarm m sste das richtige 6 Entwicklung der SCL Dateien 44 Objekt generiert und in die ICD Datei geschrieben werden Weiterhin ergibt sich hieraus eine erh hte Fehleranf lligkeit M glichkeit eins wurde daher ausgeschlossen 2 Es k nnen alle m glichen Alarmkombinationen vorkonfiguriert werden Vorteilhaft an diesem Vorgehen ist dass kein erweiterter Programmieraufwand erforderlich ist Die Alarme k nnten den vorgesehenen Objekten zugeordnet werden Ein Nachteil ist dass die ICD Datei sehr gro und un bersichtlich wird Der Konfigurationsaufwand steigert sich jedoch erheblich Folgende Objekte m ssten angelegt werden 16x H2 Alarm 16x lfeuchtealarm 16x Gasalarm 16x Temperaturalarm aus anderem LN Dieses ergibt 64 Objekte von denen maximal 16 genutzt werden Diese Idee wurde daher verworfen 3 Die dritte letztlich umsetzbare Alternative ist die Verwendung von 16 generellen Alarmobjekten Es werden in der ICD Datei 16 Alarmobjekte angelegt die bei Verw
27. der Mittel und Hochspannungstechnik Anwendung findet Das Ziel der IEC 61850 ist es eine Interoperatibilit t zwischen Ger ten unterschiedlicher Hersteller zu erm glichen Zur Kommunikation wird die Manufacturing Messaging Specification kurz MMS ber das Protokoll TCP IP eingesetzt Die MMS arbeitet objektorientiert und unterst tzt dabei zentrale und verteilte Systeme Dieser Standard erlaubt Standardoperationen wie Lesen und Schreiben und erm glicht es Benachrichtigungen zu senden vgl IEC 61850 7 2 IEC 61850 8 1 2010 F r zeitkritische Operationen wie die bertragung schneller Abtastwerte oder zeitkritischer Nachrichten k nnen Generic Object Oriented Substation Events kurz GOOSE 3 IST Analyse 16 verwendet werden Diese erm glichen eine Echtzeit bertragung vgl SystemCORP 2010 S 5 61850 Server Client Application aS Z LLI Gc O N gt Q g E o O MEE 5 gt E O e N Abbildung 2 berblick der verwendeten Protokolle vgl Quelle SystemCORP 1 2010 S 4 F r die zeitliche Synchronisation mit anderen Ger ten wird das Simple Network Time Protocol kurz SNTP verwendet SNTP ist eine weniger komplexe Version des Network Time Protocol und findet auf Embedded Systemen und in zeitunkritischen Bereichen Anwendung Bei der IEC 61850 wird das SNTP dazu eingesetzt Objekten einen Zeitstempel zuzuweisen vgl IEC 61850 8 1 2010 Der Austausch von Daten
28. der dem Sinn nach aus anderen Werken entnommene Stellen habe ich unter Angabe der Quellen kenntlich gemacht Hamburg 31 Oktober 2014 Ort Datum Unterschrift
29. die Anforderungen an die Serversoftware in Teil 7 1 pr zisiert wurden kann mit dem groben Design der Software begonnen werden vgl Kleuker 2013 S 94 7 2 1 Zu unterst tzende Hardware Die Serversoftware soll auf dem in Aufgabenteil 5 beschriebenen SC143 aus dem Hause Beck betrieben werden Dieser nutzt das Echtzeitbetriebssystem CHIP RTOS Dieses verf gt ber ein FAT Dateisystem und erlaubt dem Anwender selbstentwickelte Applikationen in Form von ausf hrbaren Dateien auszuf hren Vom Anwender entwickelte Programme k nnen via FTP an das Ger t bertragen werden vgl BECK 3 2012 7 2 2 Entwicklungsumgebung F r erste Tests und f r die Einarbeitung in die Thematik wurde ein DK61 Entwicklungsboard beschafft Das DK61 Entwicklungsboard aus dem Haus BECK IPC enth lt die Software Paradigm C C Es handelt sich hierbei um eine Entwicklungsumgebung welche einen Borland Compiler einsetzt Sie ist speziell f r die Entwicklung von Applikationen in C f r die Mikrocontroller aus dem Hause BECK IPC ausgelegt Weiterhin bietet sie M glichkeiten den Code direkt auf den Mikrocontroller zu laden Weiter ist es m glich die selbstgeschriebene Applikation auf dem Chip zu debuggen vgl BECK 4 2012 7 2 3 Schnittstellen Die zu entwickelnde Software muss zwei verschiedene Systeme mit einander verbinden Ein System ist die HYDROCAL Firmware Der HYDROCAL muss die abzufragenden Daten zur Verf gung stellen Die Daten k nnen b
30. dung Kosteng nstig Als bertragungsmedium wird Ethernet verwendet Ethernet steht in den meisten F llen bereits zur Verf gung bzw ist in der Installation g nstiger als andere L sungen Die Wartung einer einzelnen Softwarel sung ist einfacher und damit g nstiger Sicherheit Ethernet bietet M glichkeiten der Fehlererkennung und Korrektur durch Verwendung von Redundanz und Netzwerkprotokollen vgl Quelle E ON 2008 S 24 4 Aufgabenstellung Aus der IST Analyse l sst sich ein Bedarf ableiten HYDROCAL Ger te mit Hilfe der IEC 61850 in kundeneigene Softwarel sungen zu integrieren und auf diese Weise eine zentrale berwachung zu erm glichen Im Vorwege der Arbeit wurde ein Mikrocontroller der Firma BECK IPC ausgew hlt und ein Entwicklungsboard DK61 angeschafft Dieser setzt den PIS10 Stack aus dem Hause SystemCORP ein und erm glicht einen normgerechten Betrieb eines IEC 61850 Servers Ziel der Arbeit ist die Konzepterstellung f r die Hardware die Erstellung des Schaltplans und die Inbetriebnahme der Erweiterungskarte Weiter muss eine Serverapplikation entwickelt werden welche die Mess und Alarmdaten vom HYDROCAL abfragt und an den PIS 10 Stack bergibt Das Projekt wurde daher in drei gro e Aufgabenbereiche unterteilt 1 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 2 Entwicklung der SCL Dateien 3 Entwicklung einer Serverapplikation Im Folgenden werden die detaillierten Anforderungen an die drei Bereich
31. e Durchf hrung des Hard und Softwaredesigns beschrieben Dar ber hinaus werden die Inbetriebnahme und die Durchf hrung der dazugeh rigen Konformit tstests dargestellt Clemens Rubin Cohrs Title of the paper Development of an IEC 61850 compatible extension card for transmitting measurement and alarm data Keywords IEC 61850 data proccessing micro controller hardware development SCL IED software development Abstract This thesis deals with the development of an extension card for a multi gas in oil analysesystem The extension card to be developed shall be used for transmitting measurement and alarm data in accordance with IEC 61850 The planning and implementation of the hardware and software design are outlined Furthermore the commissioning and implementation of related conformity testings are described Inhalt NIST M 9 2 berblick ber den Betrieb 2 2222 eebe 11 3 IST AnalySBz iit tt t ere eder db de eter de eec eret deiude 12 3 1 daier c M 12 EEASAUCIQUM AE Em 14 3 3 Vorstellung d r IEC 61850 nr 2er nenne 15 4 Aufgabenstellung tT eerte rte d e EAE ee Seen 20 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte eene 22 5 1 Hardwarekonzept 5 irren edere eer ee Re Uere handen m e nee eene 23 5 1 1 Modul 1 Entwicklung der Grundschaltung esee enne 24 5 1 2 Modul 2 Kommunikation
32. e n her definiert Bereich Hardware Erstens die zu entwickelnde Erweiterungskarte f r IEC 61850 konforme Kommunikation soll in die bereits vorhandenen Konfigurationen integrierbar sein Zweitens an der Mess und Controllerkarte darf nichts ge ndert werden HYDROCAL Ger te werden mit verschiedenen Konnektivit tsoptionen f r Ethernet ber 10 100 Base TX Kupferleitungen und 100 Base FX Glasfaserleitungen ausgeliefert Der HYDROCAL soll weiterhin mit lediglich einer Datenleitung angeschlossen werden Die erforderliche Netzwerkschnittstelle f r die IEC 61850 muss innerhalb des HYDROCALs mit den bestehenden Schnittstellen kombiniert werden Dieses erm glicht ein Upgrade bereits bestehender HYDROCALS 4 Aufgabenstellung 21 Bereich SCL Datei F r die Integration von HYDROCAL Ger ten in eine kundenspezifische integrierte berwachung mit Hilfe der IEC 61850 muss das HYDROCAL Ger t zun chst mit Hilfe der SCL normgerecht beschrieben werden Die Funktion der verschiedenen SCL Dateien wird in Kapitel 6 beschrieben Bereich Serverapplikation Weiterhin ist eine IEC 61850 kompatible Serveranwendung zu entwickeln Die Software muss in der Lage sein eine Verbindung zum HYDROCAL aufzubauen Mess und Alarmdaten vom HYDROCAL abzufragen und dem korrekten Objekt des IED zuzuweisen Dabei ist es unerl sslich dass die Software selbstst ndig auf dem Mikrocontroller l uft Gleichzeitig soll es ber das Display m glich sein Konfiguratio
33. ed value Optional e Do DO H2ppm Measured value Optional B6 DO COppm Measured value Optional BO DO C2H2ppm Measured value Optional e BO DO C2H4ppm Measured value Optional Log 2014 09 08 12 26 25 Adding Structs to DAs and BDAs in DOTypes and DATypes 2014 09 08 12 26 35 Adding DOs from DOTypes to LNodeTypes 2014 09 08 12 20 25 Adding Data Templates to tree 2014 05 08 13 26 25 Detecting IED Types lr OI Abbildung 22 ICD Designer 6 2 Entwicklung der ICD Dateien Zuerst werden alle zu beschreibenden Daten des HYDROCALS zusammengetragen wie der Hersteller der Ger tetyp die Seriennummer und die Firmwareversion Diese Daten sollen bei der einfacheren Identifikation des Ger ts helfen Jedem Ger t wird eine eindeutige Seriennummer zugeordnet 6 Entwicklung der SCL Dateien 39 Systemstatus Der Ger testatus des Ger tes gibt Informationen ber den Zustand des HYDROCAL aus Es handelt sich dabei um einen 32Bit Hexadezimalwert aus welchem im Fehlerfall der Fehler abgelesen werden kann Sensordaten Je nach Ger tetyp m ssen unterschiedliche Messwerte bertragen werden Alle HYDROCAL Ger te k nnen den Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxidgehalt im Transformatoren l die lfeuchte die ltemperatur und die Messzellentemperatur bestimmen Der HYDROCAL 1005 und 1008 k nnen zus tzlich noch Acetylen und Ethylen messen Der HYDROCAL 1008 kann als einziges der HYDROCAL Mes
34. eller und Kunden attraktiv Durch den Einsatz von steckbaren Interfacekarten hat der Kunde die Wahl welche bertragungstechnologie verwendet werden soll Die Kopplung des IP175GH und des SC143 bereitete gr ere Schwierigkeiten als angenommen Durch die notwendigen Redesigns die in Abschnitt 5 2 ausf hrlich dokumentiert wurden verz gerte sich die Fertigstellung der Hardware der Erweiterungskarte Die ICD Datei erm glicht der Serverapplikation die Abbildung des HYDROCAL Dadurch wird der HYDROCAL zu einem IED Diese Datei bildet die Basis der Interoperatibilit t mit anderen Softwarel sungen Die Erstellung erforderte eine genaue Einarbeitung in die IEC 61850 Die Abbildung der Alarme zeigt aber auch dass es F lle gibt in denen kein passender logischer Knoten existiert und Kompromisse einzugehen sind Die F higkeit der Serverapplikation die CID Datei dynamisch zu erzeugen erm glicht einen wartungsarmen Betrieb des HYDROCAL Die abschlie enden Tests aus Kapitel 8 belegen dass sich die Erweiterungskarte in bestehende Konfigurationen einbinden l sst Die Serverapplikation ist kompatibel zu Softwarel sungen anderer Hersteller und so weit wie es die Tests in 8 2 und 8 4 ergeben haben normkonform ist Die bertragung der Mess und Alarmdaten wurde ebenfalls 9 Fazit 80 getestet HYDROCAL Ger te k nnen mit der neuen Erweiterungskarte in Kundensysteme integriert werden die das IEC61850 Protokoll verwenden Durch den Eins
35. em technischen Support des Herstellers des SC143 gel st werden Letztlich blieb als einzige M glichkeit zu debuggen der Einsatz von Debugprints 7 Entwicklung der Serverapplikation 67 7 3 2 Funktionsgruppe UART Die Funktionsgruppe UART enth lt eine Funktionen zur bertragung von Daten ber den Port Oder seriellen Schnittstelle des SC143 Diese Funktion basiert auf einer Demofunktion f r die serielle Schnittstelle vgl BECK6 2008 Der Aufbau der Funktion wird im Folgenden erl utert Die Implementierung ist dem Anhang zu entnehmen vgl CODE 1 uart c Nach der Initialisierung der Schnittstelle werden zuerst die Lese und die Schreibpuffer geleert Im n chsten Schritt wird blockweise der Befehl an den HYDROCAL bertragen Wenn die bertragung abgeschlossen wurde wird gepr ft ob eine Antwort des HYDROCAL im Lesepuffer vorliegt Wenn Zeichen empfangen werden werden diese zu einem Antwortstring zusammengesetzt Dieser Antwortstring ist der R ckgabewert der Funktion Beim Test der Funktion musste der Fall ber cksichtigt werden was passiert wenn der HYDROCAL nicht antwortet Das kann passieren wenn der Befehl der gesendet wurde nicht korrekt bertragen wurde Dieser Fehler tritt vereinzelnd auf wenn die HYDROCAL Firmware die Baudrate der seriellen Schnittstelle des Modemssockels ber welchen der HYDROCAL mit der Erweiterungskarte kommuniziert nicht bereinstimmt In diesem Fall wird kein Carriage Return empfangen
36. en Die Entwicklung der ICD Datei wurde p nktlich zum Termin des MS1 fertig gestellt Bei der Arbeit an der Serverapplikation wurden jedoch noch immer wieder kleine nderungen durchgef hrt Die letzten beiden Wochen des Projektes die in der Planung bewusst freigehalten wurden wurden f r Langzeittests genutzt 9 Fazit 79 9 2 Bewertung des Projektverlaufes In diesem Abschnitt soll der Verlauf des Projektes Entwicklung einer IEC 61850 konformen Erweiterungskarte bewertet werden In der IST Analyse in Kapitel 3 wurde ein Bedarf f r die Erweiterung des HYDROCAL mit einer M glichkeit mit Systemen zu kommunizieren die die IEC 61850 als Schnittstelle einsetzen ermittelt Daf r wurde zuerst ein Konzept f r die Erweiterungskarte entwickelt Das Konzept der Erweiterungskarte bietet mehrere Vorteile Die Schaltung der Controllerplatine bleibt unangetastet So wird das Umr sten bereits ausgelieferter HYDROCAL Ger te bei Serienreife zuk nftig m glich Die Erweiterungskarte kann in allen drei HYDROCAL Typen verwendet werden Auf diese Weise wird die Produktion durch die Fertigung gr erer St ckzahlen wirtschaftlich da die Produktionskosten sinken Durch den Einsatz des IP175GH Ethernetswitch kann der HYDROCAL weiterhin mit nur einer Datenzuleitung betrieben werden Auch diese Vorgabe aus der Aufgabenstellung konnte erf llt werden Die Integration in neue und die Nachr stung in bereits bestehende berwachungssysteme wird f r Herst
37. en aktualisiert Diese Art der Ger teerkennung erm glicht einen transparenten Zugriff auf die Sensoren sodass f r zus tzliche Sensorzuordnungen kein weiterer Code geschrieben werden muss Wenn sich etwas an der HYDROCAL Sensorzuordnung ndern sollte muss lediglich die Sensorzuordnung in der Serversoftware ge ndert werden 8 Tests In diesem Kapitel werden die Tests der Serversoftware und der ICD Datei beschrieben Das Testen auf Normkonformit t wird in Teil 10 der IEC 61850 beschrieben Nach der Fertigstellung der Software f r die Erweiterungskarte wurde nach M glichkeiten gesucht die Software zu testen Dabei muss sichergestellt werden dass die Software kompatibel mit IEC 61850 Clientsoftware ist Ferner muss auch die Zuordnung der Daten zu den Objekten berpr ft werden Ein Test mit der vom jeweiligen Kunden eingesetzten Software z B der Siemens Simotion SCOUT v4 w re am sinnvollsten gewesen Die Softwarel sung konnte jedoch nicht zur Verf gung gestellt werden Wie in Kapitel 6 beschrieben wird die Edition 2 der IEC 61850 verwendet Die eingesetzten Tools m ssen daher kompatibel zur Edition 2 der IEC 61850 sein Im folgenden Abschnitt werden zwei alternative Testtools beschrieben mit dem die Erweiterungskarte losgel st vom Hersteller getestet werden konnte 8 1 Auswahl von Testtools Die Internetrecherche nach geeigneten Tools erm glichte die Auswahl des Programms Simflex Client Simulator aus dem Hause G
38. endung einem bestehenden Objekt zugewiesen werden Dieses bietet den Vorteil dass kein gro er Programmieraufwand an der Serverapplikation und bei der Entwicklung der ICD Datei entsteht Nachteilig ist dass vorgesehene Objekte der IEC 61850 nicht benutzt werden Es k nnten Fehler bei der Integration in Fremdsysteme entstehen wenn der Anwender die vorgesehenen Objekte anstelle der generellen der IEC 61850 verwendet Das Risiko der falschen Zuordnung besteht in jedem Fall weil die Zuordnung der Daten bei der Integration durch den Menschen erfolgt Um dieses Risiko zu minimieren wird f r eine bessere bersicht und einer erleichterten Integration eine Zuordnungstabelle angelegt vgl Anhang 8 Diese wird zusammen mit der Erweiterungskarte geliefert 6 Entwicklung der SCL Dateien 45 5 7 3 LN Generic process UO Name GGIO This node shall be used only to model in a generic way process devices that are not predefined by the groups S T X Y or Z If needed all data objects listed in Clause 6 can be used single or multiple for a dedicated application of LN GGIO Data objects with proper semantic meaning should be preferred The extension rules according to IEC 61850 7 1 Clause 14 shall be followed Data Common Explanation object name data class LNName The name shall be composed of the class name the LN Prefix and LN Instance ID according to IEC 61850 7 2 Clause 22 ata objects Descriptions DPL External equipment name plate tat
39. enutzerhandbuch eingetragen werden Die Software muss die entsprechenden Eintr ge in der CID Datei vornehmen Endanwender Schulungspersonal Der Endanwender muss in der Bedienung mit dem Adapter geschult werden Randbedingung Abh ngigkeiten Ziel 2 Sonstiges Tabelle 8 Ziel 3 vgl Quelle Kleuker 2013 S 61 7 Entwicklung der Serverapplikation 52 Ziel 4 Die Software muss mit den verschiedenen HYDROCAL Ger ten funktionieren Stakeholder Entwickler Auswirkung auf Stakeholder Entwickler Die Software muss den angeschlossenen HYDROCAL erkennen und die richtige CID Datei erstellen und laden Randbedingung Abh ngigkeiten Ziel 1 Sonstiges Tabelle 9 Ziel 4 vgl Quelle Kleuker 2013 S 61 7 Entwicklung der Serverapplikation 53 7 1 2 Use Case Ermittlung Nach der Zieldefinition sollen die Grundfunktionalit ten der Software mit Hilfe von Use Cases ermittelt werden Aus den Use Cases werden die funktionalen Anforderungen abgeleitet vgl Kleuker 2013 S 79 Name des Use Case Daten auslesen Nummer U1 Autor Fachverantwortlicher C Cohrs Version 1 0 01 Sept 2014 Erstellung Kurzbeschreibung Liest Daten aus dem HYDRCOAL aus und bergibt sie an das entsprechende IEC 61850 Objekt Beteiligte Aktoren Systemintern HYDROCAL Firmware Referenzen HYDROCAL Handbuch Vo
40. er die serielle Schnittstelle abgefragt werden Die HYDROCAL Befehle die von der Software benutzt werden m ssen k nnen der folgenden Tabelle 15 entnommen werden Alle Befehle m ssen mit einem Carriage Return abgeschlossen werden 7 Entwicklung der Serverapplikation 62 HYDRCOAL Befehl Beschreibung VER5 Abfrage des Herstellers VER1 Abfrage der Seriennummer SYSSTAT Abfrage des Systemstatus READAX Abfrage des aktuellen Konfigurationszustand des Alarms X 0 nicht konfiguriert ALRTX Abfrage des aktuellen Alarmstrings des Alarms 1 READSX Abfrage des aktuellen Sensorwert f r Sensor X Sensorzuordnung ist abh ngig vom Ger tetyp PAR159 IED Name max 31 Zeichen wenn leer IED HC 100X SN UXTIME O Abfrage des Zeitstempels der letzten Messung UXTIME 1 Abfrage des derzeitigen Zeitstempels PAR131 Abfrage des DHCP Flag PAR158 Abfrage der IP Adresse des IEC 61850 Interface PAR134 Abfrage der Subnetzmaske des IEC 61850 Interface PAR135 Abfrage der Gateway Adresse des IEC 61850 Interface PAR157 Abfrage eines Konfigurations nderungsflag Tabelle 15 Liste der HYDROCAL Befehle Das zweite System zu dem eine Schnittstelle geschaffen werden muss ist die des PIS 10 Protokoll Stack Der PIS 10 Protokoll Stack stellt Funktionen zur Verf gung die f r den Betrieb eines IEC 61850 Servers notwendig sind Die folgende Tabelle 16 zeigt m gliche Befehle des PIS 10 Stacks
41. erlackdraht wurde der Singletransformator mit der Schaltung verbunden Abbildung 18 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 33 Abbildung 18 Integration eines Transformators in die Schaltung Anschlie end wurde die Konnektivit t erneut wie anfangs beschrieben getestet Jetzt war dieser Test erfolgreich Ergebnis Nach erfolgreichem Test wurde der Schaltplan vgl Quelle Anhang 6 angepasst und ein Redesign durchgef hrt Der Single Transformator konnte aufgrund seiner Ausma e nicht ohne weiteres in die Schaltung integriert werden Abbildung 19 zeigt die aktualisierte Schaltung Abbildung 19 PHY to PHY Verbindung Controllerplatine Version 2 vgl Quelle Anhang 6 S 2 Nach dem Redesign der Controllerplatine wurde ein erster Prototyp gefertigt und best ckt Die Inbetriebnahme dieser Platine wird im Folgenden beschrieben 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 34 5 2 3 Phase 3 zweite Inbetriebnahme Wie bei der ersten Inbetriebnahme wurde die Controllerplatine mit Betriebsspannung versorgt und die Kommunikation des SC143 ber die DEBUG Schnittstelle getestet Anschlie end wurde die Netzwerkverbindung des SC143 getestet Erneut war keine Kommunikation zwischen IP175GH und SC143 m glich Test 1 Die Kommunikation ber zwei Ports des IP175GH konnte jedoch erfolgreich getestet werden Der Fehler musste demnach in der Kommunikation zwischen SC143 und IP175GH liegen Nach dem Ausl ten d
42. es Single Transformators wurde eine Netzwerkschnittstelle direkt auf die leeren L tstellen auf der Seite des SC143 gel tet um die vollst ndige Funktion der Leiterbahnen und des IP175GH sicherzustellen Dieser Test war erfolgreich Test 2 Anschlie end sollte analog dazu die Verbindung vom SC143 zum Transformator berpr ft werden Es konnte auch mittels einer externen Schnittstelle keine Netzwerkverbindung mit dem SC143 hergestellt werden Im n chsten Schritt wurden daher die Werte der Bauteile und die Verbindungen der Bauteile vom ersten und zweiten Prototyp miteinander verglichen Es konnte kein Unterschied festgestellt werden M gliche Fehlerquellen k nnten noch nicht angeschlossene Pins des SC143 Layoutfehler oder ein nicht ber cksichtigter Seiteneffekt sein Da bei der Verwendung von Kupferlackdr hten beim ersten Versuch keine St rfaktoren die Konnektivit t beeintr chtigten konnte dieser Fehler bei der Pr fung des zweiten Prototyps hinten angestellt werden 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 35 berblick ber den Toplayer der Schaltung SC143 IC1 Ka gt bs F IP175GH IC2 Transformator TR1 Detailabbildung der Verbindung IC1 zu TR1 l Toplayers Detailabbildung der Verbindung IC1 zu TR1 Bottomlayer Abbildung 20 Layout Controllerplatine Version 2 Abbildung 20 zeigt das Layout der Controllerplatine 2 Zur Fehlersuche wurde die Schaltung auf m gliche Layo
43. esent the physical device of a tank such as a hydraulic oil tank The tank can be pressurised or not If used to represent a tank for pressurised gas only the pressure MV will be used If used for an oil sump only the level MV will be used For a simple level sensor the SLVL logical node can be used instead KTNK class Data Common Explanation T M O object name data class c LNName The name shall be composed of the class name the LN Prefix and LN Instance ID according to IEC 61850 7 2 Clause 22 Data objects Descriptions EEName DPL External equipment nameplate o Status information EEHealth ENS External equipment health o Measured and metered values LevPct MV Level in the tank as percentage of full tank level o Vim MV Volume of media in tank o Settings VimCap ASG Total volume capacity o TnkTyp ENG Type of data representing the tank fill status pressure only level only M both pressure and level Abbildung 4 Beispiel f r einen logischen Knoten vgl IEC 61850 7 4 2010 S 49 Die Kommunikation mittels IEC 61850 bietet die folgenden Vorteile Interoperatibilit t Die Verwendung der IEC 61850 bietet eine Grundlage f r den Informationsaustausch zwischen Ger ten unterschiedlicher Hersteller Dar ber hinaus erm glicht sie eine hardwareplattformunabh ngige Kommunikation Globalit t Die IEC 61850 ist weltweit g ltig und findet in gro em Umfang Anwen
44. f gt werden EN 61850 7 4 2010 5 3 2 LN Physical device information Name LPHD This LN is introduced in this Part to model common issues for physical devices LPHD class Data object Common Explanation T name data class Data objects Descriptions PhyNam DPL Physical device name plate M Status information PhyHealth Physical device health SEET Proxy Indicates if this LN is a proxy InOv Input communications buffer overflow NumPwrUp Number of power ups EE WacTrg Number of watchdog device resets detected pa er pee E PwrDn SPS Power down detected Controls Sim SPC Receive simulated GOOSE or simulated SV o Settings Data sets see IEC 61850 7 2 Inherited and specialised from logical node class see IEC 61850 7 2 BufferedReportControlBlock see IEC 61850 7 2 Inherited and specialised from logical node class see IEC 61850 7 2 UnbufferedReportControlBlock see IEC 61850 7 2 Inherited and specialised from logical node class see IEC 61850 7 2 Services see IEC 61850 7 2 Inherited and specialised from logical node class see IEC 61850 7 2 Abbildung 23 bersicht ber den LN Physical device information vgl IEC 61850 7 4 2010 S 24 Die Suche nach einem geeigneten logischen Knoten f r die Ger teidentifikation und die Ger testat konnte im logischen Knoten Physical device information LPHD gefunden werden Abbildung 23 zeigt einen Auszug aus der IEC 61850
45. gl IEC 61850 7 4 2010 S 24 40 Abbildung 24 bersicht ber LN Insulation medium supervision vgl IEC 61850 7 4 2010 S 93 42 Abbildung 25 LN GGIO vgl IEC 61850 7 4 2010 S A8 45 Abbildung 26 Screeshot Omicron IED Scout NM 46 Abbildung 27 Use Case Daten auslesen eene eene nnne nenn sen en nennen nnns 54 Abbildung 28 Use Case CID Datei ndern esses eene ener ener nnne nnne nnns 58 Abbildung 29 Use Case Swvstemstart esent enhn seen tens sene rens en tense nnns 60 Abbildung 30 Programmablauf einer IEC 61850 Serverapplikation vgl System Corp 1 2010 S 14 65 Abbildung 31 Ablaufplan Upodatetunktionen eene enne nennen nnns 68 Abbildung 32 Ablaufplan Netzwerkparameter eese eene enne nnne nennen nens 69 Abbildung 33 Test der Serververbindung mit Simflex Client Simulator 73 Abbildung 34 Protokolldatei des Tests 73 Abbildung 35 HYDROCAL 1005 mit IEC 61850 Erweiterungskarte ueseesssseneessnnnnennnnnnnenennnnnnnnnnn nn 76 Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Zeitplanung des Projektes ssessssessesesseesee esee eene enne enne ener nnne nennen nnns 21 Tabelle 2 Eigenschaften des SC143 vgl Quelle BECK 2 2010 seen 22 Tabelle 3 Zuordnungstabelle LDHD sees esee ener nennen 41 Tabelle 4 Zuordnungstabelle SIM 43 Tabelle 5 Zuordnungstabelle f r Gel 45 Tabelle 6 Ziel 1 vgl Quelle Kleuker 2013 S ei 50 Tabelle 7 Ziel 2 v
46. gl Quelle Anhang 1 S 1 Nach der Zusammenstellung aller schaltungsrelevanten Bauteile kann der Schaltplan an die Konstruktions und Layoutabteilung bergeben werden um die Platine zu layouten Es wurde festgestellt dass der Einsatz von SMD Bauteilen aufgrund des geringen Platzangebotes ber dem Modemsockel des HYDROCALS und dem gro en Platzbedarf SC143 notwendig ist vgl Abbildung 13 Des Weiteren wurde wegen des geringen Platzangebots auf der Controllerkarte entschieden die beiden Netzwerkschnittstellen auf eine Huckepackkarte auszulagern Das Auslagern der Anschl sse hat den Vorteil dass f r die beiden Anschlusskombinationen des HYDROCAL 100BASETX oder 100BaseFX die gleiche Controllerplatine verwendet werden kann und in diesem Fall nur die Interfaceplatine umgesteckt werden muss vgl Abbildung 14 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 29 Abbildung 13 Controller Platine Abbildung 14 Interfaceplatine 96138 mit 2xRJ45 mit 1x RJ45 und 1x SC Anschluss 96139 F r den realen Einsatz wurde das Schirmblech durch die Konstruktionsabteilung angepasst Die Interfaceplatine wird auf diesem Blech montiert Die Controllerplatine steckt fest im Modemslot der Mess und Controllerkarte des HYDROCALS vgl Abbildung 15 und 16 SS ES gt ud y m x a Abbildung 15 Controllerplatine mit aufgesteckter Interfaceplatine 4 gt 4 Abbildung 16 Angepasstes Schirmblech mit befestigter Interfaceplat
47. gl Quelle Kleuker 2013 S el 51 Tabelle 8 Ziel 3 vgl Quelle Kleuker 2013 S GI 51 Tabelle 9 Ziel 4 vgl Quelle Kleuker 2013 S GI 52 Tabelle 10 Use Case Daten auslesen vgl Quelle Kleuker 2013 S 68 53 Tabelle 11 Use Case Netzwerkparameter einstellen vgl Quelle Kleuker 2013 S 68 55 Tabelle 12 Use Case Netzwerkparameter einstellen vgl Quelle Kleuker 2013 S 68 56 Tabelle 13 Use Case CID Datei ndern vgl Quelle Kleuker 2013 S 68 sees 57 Tabelle 14 Use Case Systemstart vgl Quelle Kleuker 2013 S 681 59 Tabelle 15 Liste der HYDROCAL Befehle AAA 62 Tabelle 16 Liste der PIS10 Befehle vgl Quelle SYSTEM CORP S 13 2010 seen 62 Tabelle 17 Sensorzuordnung HNVDROCAL eene nennen nennen een nennen tenis nnne nens 70 Tabelle 18 bersicht ber die durchgef hrten Tests mit Simflex Client Simulator 74 Tabelle 19 bersicht ber die durchgef hrten Tests mit Simflex SCL Checker 75 Tabelle 20 aktualisierter Zeitablauf des Prolektes nennen nnns 78 Abk rzungsverzeichnis CID GOOSE ICD IEC IED LN MII MMS RTOS SCL SNTP UART XML Configured IED Description Generic Object Oriented Substation Events IED Capability Description International Electrotechnical Commission Intelligent Electronic device Logical Node Media Independent Interface Manufacturing
48. h tte man zum einen die Netzwerkschnittstelle des HYDROCAL und zum anderen die Schnittstelle des SC143 Eine solche Schaltung entspricht jedoch nicht der Vorgabe dass nur eine Datenleitung zum HYDROCAL f hren soll Es muss eine M glichkeit gefunden werden die Netzwerkverbindungen innerhalb des Ger tes zusammenzuschalten und ber eine Leitung nach au en zu transportieren Diese Aufgaben k nnen durch den Einsatz eines Ethernet Switch realisiert werden Der Switch muss sowohl ber Ports f r die Verbindung mit Kupferleitungen als auch ber Ports f r die Verbindung mit Glasfaserleitungen verf gen 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 27 Eine M glichkeit ist einen kleinen Switch im Geh use unterzubringen Dieses ist aber auf Grund der Platzverh ltnisse im HYDROCAL nicht m glich Ebenso schwierig ist es die Spannungsversorgung sicherzustellen Eine andere M glichkeit ist den Switch an die Au enseite des Ger tes anzubringen Doch auch diese M glichkeit w rde sich als unpraktisch erweisen In diesem Falle w re eine separate Stromversorgung von au en notwendig HYDROCAL Ger te werden auch im Offshore Bereich verwendet Daher muss ein Switch der im Au enbereich des HYDROCAL befestigt ist muss auch f r diese widrigen Bedingungen geschaffen sein Der Einsatz eines IP175GH von der Firma IC Plus stellt eine ad quate M glichkeit dar den HYDROCAL mit dem Netzwerk zu verbinden Es handelt sich bei diesem Switch um eine O
49. hang 10 7 Entwicklung der Serverapplikation 66 7 3 Umsetzung Mit Abschluss der in Abschnitt 7 2 beschriebenen vorausgehenden Arbeiten abgeschlossen wurden konnte mit der Entwicklung der Serversoftware begonnen werden Die Software basiert auf einer Beispielsoftware die dem DK61 beiliegt vgl SystemCORP 2012 S 29 In diesem Abschnitt werden die Besonderheiten die es bei der Softwareentwicklung zu beachten gab beschrieben Der komplette Source Code befindet sich im Anhang vgl CODE 1 7 3 1 Debugging Das Debugging mit dem SC143 wird ber eine ausf hrbare Datei PROBE EXE durchgef hrt vgl BECK5 2006 S 25 Diese wird ber eine Terminalverbindung oder automatisch beim Systemstart ber die Autoexec bat gestartet In der Entwicklungsumgebung kann ausgew hlt werden ber welches Medium debugged werden soll Zur Wahl stehen serielle Schnittstellen oder TCP IP vgl BECK5 2006 S 25ff Wenn das Debugging gestartet wird wird das Programm automatisch auf den SC143 geladen und kann dann wie in anderen Entwicklungsumgebungen debugged werden Bei der Entwicklung ist jedoch aufgefallen dass ein Debbugging nur mit kleineren Programmen m glich ist Immer wenn versucht wurde ein umfassenderes Programm zu debuggen gab es die Fehlermeldung dass nicht genug Speicher vorhanden ist um das Programm zu starten Dieser Fehler erschwerte gleichzeitg auch die Fehlersuche und dessen Behebung Dieses Problem konnte auch nicht mit d
50. ie in Kapitel 7 entwickelte Software umfassend getestet wurden wird das Projekt in diesem Abschnitt abschlie end bewertet 9 1 Bewertung des Zeitmanagements In Kapitel 4 wurde ein zeitlicher Rahmen von 3 Monaten f r das Projekt festgelegt In diesem Abschnitt wird berpr ft in wieweit der geplante Aufwand f r die einzelnen Teilbereiche eingehalten werden konnte ber den Gesamtzeitraum betrachtet wurde der zeitliche Rahmen eingehalten KW31 KW32 KW33 KW34 KW35 KW36 KW37 Erkl rung Hardware Entwicklung ICD Entwicklung Software Entwicklung KW38 KW39 KW40 KW41 KW42 KW43 Erkl rung Hardware Entwicklung ICD Entwicklung Software Entwicklung Tabelle 20 aktualisierter Zeitablauf des Projektes Die in Kapitel 5 beschriebene Hardwareentwicklung hat aufgrund der zahlreichen nderungen mehr Zeit in Anspruch genommen als veranschlagt war Die Leiterplattenherstellung verz gerte den Projektablauf In der Produktionszeit der Leiterplatten konnte mit der Arbeit an der ICD Datei und sp ter auch mit der Entwicklung der Serverapplikation begonnen werden Dieses war aber nur m glich weil bereits vor Projektstart das DK61 angeschafft wurde auf welchem bereits vor Fertigstellung der Hardware die neu entwickelte Serverapplikation getestet werden konnte Die Tests mit der selbstentwickelten Hardware konnten erst kurz vor der Beendigung des Projektes durchgef hrt werd
51. iert und die Use Cases erfasst werden In Abschnitt 7 2 werden im Grobdesign der grundlegende Aufbau mit allen ben tigten Funktionsgruppen entwickelt Die Besonderheiten die bei der Umsetzung der Serversoftware aufgetreten sind werden in Abschnitt 7 3 beschrieben Nach der Fertigstellung der Serversoftware wird die Erweiterungskarte weiteren Tests unterzogen Dabei wurde ein Fokus auf die Kompatibilit t mit anderen IEC 61850 Clients unterschiedlicher Hersteller gelegt In Kapitel 8 werden die eingesetzten Testwerkzeuge vorgestellt und die Probleme die es bei der Durchf hrung der Tests gab beschrieben Am Ende des Kapitels erfolgt eine Einsch tzung zur Qualit t der Tests Kapitel 9 bildet den Abschluss dieser Arbeit Hier wird das Projekt noch einmal final bewertet Es werden Aussagen zum tats chlichen Zeitmanagement getroffen und Ausblicke in die Projektzukunft gewagt 2 berblick ber den Betrieb Die EMH Energie Messtechnik GmbH im weiteren EMH genannt ist ein mittelst ndisches Unternehmen welches im Jahre 1984 gegr ndet wurde Zurzeit sind 48 Mitarbeiter besch ftigt Das Bet tigungsfeld der EMH Energie Messtechnik GmbH liegt in der Entwicklung und Fertigung von Pr zisionsmesstechnik zur Leistungs und Energiemessung f r Energieversorger in Deutschland und der gesamten Welt Zu den Produkten z hlen Messger te f r die Pr fung von Energiez hlern und Anlagen zur Pr fung von gr eren St ckzahlen von Elektrizit t
52. indung zwischen Client und Server aufgebaut werden Die eigentliche Funktion des IED wird mit Hilfe von logischen Knoten Logical Nodes kurz LN beschrieben Die IEC 61850 7 4 Grundlegende Kommunikationsstruktur Kompatible Logikknoten und Datenklassen vgl IEC 61850 7 4 2010 beschreibt die verschiedenen Logical Nodes Abbildung 4 zeigt ein Beispiel f r einen logischen Knoten Der Name des Knoten lautet KTNK und definiert einen Tank Bei Verwendung muss dem logischen Knoten eine Instanzz Nummer zugewiesen werden um diesen bei Verwendung sp ter zuordnen zu k nnen Die Namensbildung ist in IEC 61850 2 definiert Die verschiedenen Datenobjekte stellen die Eigenschaften und Funktionen des Tanks dar Aus den Objekten wird das IED je nach Anforderungen abgebildet Das Objekt TnkTyp Type of Data stellt eine Information dar ber dar welche Art von Daten sich hinter dem Objekt verbirgt Dieses Objekt ist f r diesen Knoten zwingend erforderlich mandatory Weitere Objekte sind in diesem Fall zum Beispiel Messwerte wie der F llstand und Volumen oder diverse Statusinformationen ber den Zustand des Tankes Diese Objekte sind optional Jedem Objekt ist eine Datenklasse common data class zugeordnet In der Datenklasse werden die Attribute des Datenobjektes festgelegt Jedem verwendeten Attribut eines Datenobjektes wird ein Datentyp zugewiesen 3 IST Analyse 19 5 9 5 LN Tank Name KTNK Logical node KTNK shall be used to repr
53. ine 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 30 5 2 Inbetriebnahme Mit Hilfe des Layouts und des Best ckungsplans wurde ein erster Prototyp gefertigt Die Inbetriebnahme erfolgte in mehreren Phasen 5 2 1 Phase 1 erste Inbetriebnahme Nachdem der Prototyp mit der Betriebsspannung versorgt wurde wurde eine Terminalverbindung zum SC143 ber die DEBUG Schnittstelle der Controllerplatine hergestellt Die Kommunikation zwischen DEBUG Computer und SC143 funktionierte Anschlie end sollte berpr ft werden ob eine Netzwerkverbindung zum IP175GH besteht Der Befehl IPCFG gibt die aktuellen Netzwerkparameter des SC143 aus Lanced ETH 169 254 167 4 259 299 0 H 00 30 56 R8 SB ER Link fail 10 MBit s Halfdplx LOOPBACK LPK IP 127 0 0 1 Netmask 255 255 255 255 IP Forwarding is enabled for all interfaces A gt Connected via COM4 at 19200 baud Abbildung 17 Ausgabe von IPCFG Unter Status kann der aktuelle Konnektivit tsstatus des Netzwerkinterface entnommen werden Das Netzwerkinterface zeigte einen Link fail an Dieses steht hierbei f r eine inaktive oder gest rte Netzwerkverbindung Um die Ursache des Fehlers zu finden wurden mehrere Tests durchgef hrt Test 1 Pr fung der Bauteile Es wurde gepr ft ob die physischen Verbindungen vorhanden und angeschlossen sind Dazu wurde der Durchgang von Bauteil zu Bauteil berpr ft Weiter wurde berp
54. ion und Verwaltung der angeschlossenen HYDROCAL Ger te Die gespeicherten Messdaten k nnen aus dem Ger t ausgelesen aufbereitet und grafisch dargestellt werden Im Falle eines vom HYDROCAL ausgel sten Alarms k nnen verschiedene Personen per E Mail informiert werden vgl EMH 2 2013 S 1 ieixi History Data me H2 CO Ti 2 l roo 1 600 ST 300 00 i 4 100 10 06 10 07 10 ae an 10 11 10 12 10 13 4 gt gt EMH Data Base gt Station A Brackel gt Transformer A11 163 MVA 230 kV gt History lile Abbildung 1 Screenshot Hydrosoft vgl EMH 2 2013 S 1 HYDROCAL Ger te werden weltweit f r die berwachung von Hochspannungstransformatoren zum Beispiel in Umspannwerken eingesetzt 3 IST Analyse 14 In Umspannwerken oder Kraftwerken gibt es zur berwachung des Betriebs eine Vielzahl von verschiedenen berwachungseinrichtungen von verschiedenen Herstellern Jeder Hersteller liefert ein eigenes Tool um das Ger t zu steuern und zu berwachen Beim HYDROCAL erfolgt dieses ber Hydrosoft Andere Unternehmen bieten Softwarel sungen die eine berwachung von Ger ten unterschiedlicher Hersteller erm glichen an Die berwachung der Ger te Substations kann auf diese Weise zentralisiert erfolgen Diese L sungen sind modular aufgebaut Einige EMH Kunden setzen zur zentralen berwachung die Software Siemens Simotion SCOUT v4 ein Die Software erlaubt mit Hilfe der IEC 6185
55. istungsumfangs einzusetzen um die Serverapplikation der Erweiterungskarte grundlegend zu berpr fen zu k nnen Der erste Test war ein Verbindungstest Gestestet wird ob sich der IEC 61850 Client mit dem IEC 61850 Server verbinden kann Nach der Verbindung fordert der Client vom Server die eingeschalteten Services und das Serververzeichnis ab Als n chstes ruft der Client die Struktur der logischen Knoten vom Server ab Dieser Test schlug fehl dem Testprotokoll in Abbildung 33 zu entnehmen ist 11 35 23 956 IEC61850Engine Generating Data Model from New Device_1 R 11 35 23 976 IEC61850Engine Associate SUCCESS 11 35 23 982 IEC61850Engine GetServicesSupported from New Device 1 SUCCESS 11 35 23 992 IEC61850Engine GetServerDirectory LOGICAL DEVICE from New Device 1 SUCCESS Retrieving logical nodes Retrieving logical nodes 11 35 24 030 IEC61850Engine GetLogicalDeviceDirectory from New Device 1 TRANSPORT ERROR NETWORK ERROR HC1008LDevicel 11 35 24 055 IEC61850Engine Cannot retrieve the list of logical nodes for HC1008LDevicel error TRANSPORT ERROR NETWORK ERROR Retrieving data definitions 11 35 24 070 IEC61850Engine Release DECODE ERROR Idle Abbildung 33 Test der Serververbindung mit Simflex Client Simulator Fehlersuche Der Fehler wurde zusammen mit dem Hersteller der Software untersucht W hrend des Tests mit dem Simflex Client Simulator werden im Hintergrund die Server Clientkommunikation protokolliert Zusa
56. it dem Simflex Client Simulator Die beschriebenen Tests waren erfolgreich Das Testprotokoll befindet sich im Anhang vgl Anhang 11 8 3 Test mit Omicron IEDScout Von der Herstellerseite konnte eine 30 Tage Testversion des Omicron IEDScout V4 heruntergeladen und installiert werden Nach der Installation muss im IEDScout eine Verbindung zum IEC 61850 Server aufgebaut werden Dazu wir die IP Adresse die in der CID Datei des IED eingetragen ist eingegeben Anschlie end wird eine Verbindung zum IEC 61850 Server aufgebaut Es konnte jedoch keine Verbindung aufgebaut werden Als Fehlermeldung gab der lEDScout Fehlercode DATOOO45 aus Die Hilfedatei des Programms lieferte keine weiteren Informationen zum Fehlercode Daher wurde Omicron kontaktiert In einer Mail antwortet der Product Manager des IEDScout dass das Problem bekannt sei und der Fehler beim lEDScout liegt Die Behebung des Fehlers wird im n chsten Release implementiert sein Um dennoch die Software testen zu k nnen stellt Omicron ein Betarelease des lEDScout zur Verf gung in welchem das Verbindungsproblem nicht mehr auftreten soll vgl Maill 2014 8 Tests 75 Die Betaversion des IEDScout konnte eine Verbindung zur in Kapitel 7 entwickelten IEC 61850 Serverapplikation aufbauen Anschlie end wurde berpr ft ob die CID Datei korrekt vom Server heruntergeladen wurde und die in Abschnitt 6 2 beschriebenen logischen Knoten vorhanden
57. ktion initiiert muss dies dem SC143 mitgeteilt werden Zu diesem Zweck wurde ein MAX6713 in die Schaltung eingesetzt vgl MAXIM 2005 Hierbei handelt es sich um einen Mikrocontroller welcher in der Lage ist ein Resetsignal zu erzeugen Abbildung 8 zeigt die Beschaltung f r den MAX6713 Der Pin f r den manuellen Reset wurde in diesem Projekt auf die Betriebsspannung geschaltet Die Verwendung eines Resetknopfs auf der Platine kann innerhalb eines geschlossenen Geh uses als unn tig betrachtet werden weil die Platine im Betrieb nicht erreicht werden kann 3V3 IC3 3V3 GNDI VCC R12 1 1K BEE 2 Abbildung 8 berwachungsschaltkreis f r den Reset vgl Quelle Anhang 1 S 1 Die serielle Debugschnittstelle wurde an die Schnittstelle UART1 des SC143 angeschlossen Sie arbeitet mit TTL Pegeln STi RTS1 1m2 RxD1 TxD1 3 d CTS1 gri zm E Abbildung 9 Serielle Debugschnittstelle vgl Quelle Anhang 6 S 1 5 1 2 Modul 2 Kommunikation mit dem HYDROCAL Die Software des SC143 soll Mess und Alarmdaten ber die serielle Schnittstelle vom HYDROCAL abfragen Der HYDROCAL arbeitet mit 5V und der SC143 arbeitet mit 3 3V Die Pegel f r die Kommunikation liegen somit beim HYDROCAL h her als beim SC143 Beim SC143 musste untersucht werden ob die 5V TTL Pegel des HYDROCAL den Chip des SC143 nicht besch digen Die L sung dazu wurde im Datenblatt des SC143 gefunden Die seriellen Schnittstellen werden
58. l8 berpr fung der Aufz hlungen sMdil10 berpr fung der Datenklassen Tabelle 19 bersicht ber die durchgef hrten Tests mit Simflex SCL Checker 8 Tests 76 8 5 Integrationstest Neben den Tests der Client Serverkommunikation in den vorausgehenden Abschnitten 8 2 und 8 3 wurde die Kommunikation zwischen der HYDROCAL Firmware und der Serverapplikation getestet Dazu wurde ein HYDROCAL 1005 mit einer Erweiterungskarte ausgestattet und das Schirmblech installiert vgl Abbildung 35 Abbildung 35 HYDROCAL 1005 mit IEC 61850 Erweiterungskarte Anschlie end wurden am Display des HYDROCALS verschiedene IP Adressen eingestellt Es wurde sowohl die statische als auch die dynamische Adressvergabe getestet Anschlie end wurde berpr ft ob die Anderungen von der Serverapplikation bernommen werden Es wurde ein Problem in der Zusammenarbeit zwischen HYDROCAL und Erweiterungskarte erkannt Sobald ein serielles Kabel an den RS232 Port des HYDROCAL angeschlossen wird unterbricht der HYDROCAL automatisch die serielle Verbindung zur Erweiterungskarte Erst wenn die Schnittstelle wieder frei ist kann die Erweiterungskarte wie geplant arbeiten Es handelt sich hierbei jedoch um ein geplantes Sicherheitsmerkmal des Herstellers Die RS232 Schnittstelle erh lt eine h here Priorit t vor allen anderen Schnittstellen im HYDROCAL Im Notfall ist das Ger t noch ber die RS232 Schnittstelle erreichbar Weiter wurde beobachtet das
59. le berwachung ihrer Umspannwerke 3 IST Analyse 15 Der zweite Ansatz eine zentrale berwachung Mittels IEC 61850 erf llt diese Forderung Sie erm glicht ein zentrales Sammeln und berwachen von Mess und Alarmdaten Die IEC 61850 dient als Schnittstelle zwischen den Substations und der Kontrollsoftware Alle Ger te die berwacht werden sollen m ssen in dem festgeschriebenen logischen Knoten vorhanden sein oder durch einzelne Komponenten beschrieben werden k nnen Sonderfunktionen der herstellereigenen Software k nnen jedoch nicht verwendet werden Aus der Ist Analyse folgt dass ein Bedarf nach einer M glichkeit besteht HYDROCAL Ger te mit Hilfe der IEC 61850 in kundeneigene Softwarel sungen zu integrieren Zurzeit steht keine M glichkeit zur Verf gung einen HYDROCAL mit einem zentralen berwachungssystem wie Siemens Simotion SCOUT v4 zu verbinden da der HYDROCAL keine Kommunikation mittels IEC 61850 unterst tzt Im Gegenzug gilt es bei einer Umsetzung zu K ren ob alle Funktionen des HYDROCAL in der IEC 61850 vorgesehen sind 3 3 Vorstellung der IEC 61850 Diese Arbeit befasst sich mit der IEC 61850 Communication Networks and Systems in Substations Zum leichteren Verst ndnis werden die Kernpunkte noch einmal zusammengefasst Hinter der IEC 61850 Communication Networks and Systems in Substations verbirgt sich ein allgemeines bertragungsprotokoll welches in der Kommunikation in Schaltanlagen
60. mcorp com au products tools icd designer Abruf 21 0kt 2014 TOPAS Newsletter 2012 http www topas de newsletter1 html amp no_cache 1 amp tx_ttnews 5Btt_news 5D 178 amp cHash 7cd 29f4241c6c26ddc61505ca16e84c7 Abruf 28 Okt 14 11 Anhang Der Anhang befindet sich in elektronischer Form auf einem Datentr ger und kann bei Herrn Prof Dr rer nat Henning Dierks und Herrn Prof Dr Jochen Schneider eingesehen werden Der Inhalt des Datentr gers ist folgenderma en aufgebaut Struktur der CD Bachelorarbeit pdf Ordner Datenbl tter e Anhang 1 BeckSC1X3HW v106 100218 pdf e Anhang 2 IP175Gx DS RO1 61 20130702 pdf e Anhang 3 LT1129 pdf e Anhang 4 MAX6711 pdf e Anhang 5 TG110 5006N1RL pdf Ordner Hardware e Anhang 6 Schaltpl ne pdf e Anhang 7 Best ckungspl ne pdf Ordner IEC 61850 Normen Ordner SCL Files e Anhang 8 ICD Datenbeschreibung pdf e Anhang 9 ICD Files 11 Anhang 84 Ordner Sourcecodes e CODE 1 Sourcecodeverzeichnis der entwickelten Serverapplikation e CODE 2 Sourcecodeverzeichnis mit Beispielcodes e Anhang 10 Prorammablaufplan pdf Ordner Testprotokolle e Anhang 11 Client Simulator txt e Anhang 12 SCL Checker txt e Anhang 13 Mail pdf 12 Versicherung ber die Selbstst ndigkeit Hiermit versichere ich dass ich die vorliegende Arbeit im Sinne der Pr fungsordnung nach 816 5 APSO TI BM ohne fremde Hilfe selbstst ndig verfasst und nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe W rtlich o
61. mmen mit dem Supportteam von GridClone wurden diese Protokolldateien ausgewertet 14 185 503 510 192 1085 1 335 192 108 1 12 TCP 66 150 tsap gt 49945 SYN ACK Seq Ie GULUVU 221314 15 18 5642200192 168 1 12 192 168 1 33 TCP 54 49945 gt iso tsap ACK Seq 1 Aci 1 q GGI o0 sT Al 16 18 5974050 192 168 1 12 192 168 1 33 core 76 CR TPDU src ref 0x0001 dst ref Fi 17 18 5997480 192 168 1 33 192 168 1 12 com 76 CC TPDU src ref Oxfe00 dst ref 18 18 6011650192 168 1 12 192 168 1 33 MMS 245 initiate RequestPDU mii t G v el SV 19 18 6057570192 168 1 33 192 168 1 12 MMS 216 initiate Responseppu 20 18 6082090 192 168 1 12 192 168 1 33 MMS 90 confirmed RequestPDU S GGIOO SV mii 21 18 6101750192 168 1 33 192 168 1 12 MMS 86 confirmed Responseppu 22 18 6106370192 168 1 12 192 168 1 33 mms 90 confirmed RequestPDU v Almi1 23 18 6125870192 168 1 33 192 168 1 12 MMS 86 confirmed ResponsePDu 24 18 6130260192 168 1 12 192 168 1 33 MMS 90 confirmed RequestPDu subEna nn EX 25 18 6151870192 168 1 33 192 168 1 12 MMS 102 confirmed Responseppu 26 18 6156680 192 168 1 12 192 168 1 33 MMS 104 confirmed RequestPDU T GGIOO EXSA m11 EAEE COTP 1085 DT rou 0 COTP fragment GZ GGIOO EXSAT mii 29 18 7937530 192 168 1 12 192 168 1 33 TCP 66 49945 gt iso tsap ACK Seq 372 30 18 7948710 192 168 1 33 192 168 1 12 MMS 288 Malformed Packet vp SIMLO S 31 18 7973380 192 168 1 12 192 168 1 33 MMS 108 confirmed RequestPD
62. ms jw f ssuramen fingen izinem IS ke e e O O E E m jw a e Dum jw besserer io moms hw easement i5 Abbildung 24 bersicht ber LN Insulation medium supervision vgl IEC 61850 7 4 2010 S 93 Abbildung 24 zeigt die verf gbaren Objekte des LN SIML Unter Measured and metered values sind Messwerte f r die Konzentration von Wasserstoff Acetylen Ethylen Kohlenstoffmonoxid Kohlenstoffdioxyd Methan und Ethan im Transformatoren l die lfeuchte und die ltemperatur des Transformatoren ls und die Messezellentemperatur vorgesehen Jedem Messwert wird ein Zeitstempel zugeordnet Diese wird dem Zeitpunkt der Messung zugewiesen 6 Entwicklung der SCL Dateien 43 Tabelle 4 zeigt eine Zuordnung der Messwerte der verschiedenen HYDROCAL Ger te zu den vorgesehenen Datenobjekten der LN SIML HYDROCAL Zugeordnetes Attribut Beschreibung 1003 5 8 SIMLO H20 mag f Abfrage des aktuellen Messwertes der Olfeuchte SIMLO H20 mag t zugeordneter Zeitstempel 1003 5 8 SIMLO H20Tmp mag f Abfrage der aktuell gemessenen Oltemperatur SIMLO H20Tmp mag t zugeordneter Zeitstempel 1003 5 8 SIMLO H2ppm mag f Abfrage des aktuellen Sensorwert f r H2 SIMLO H2ppm mag t zugeordneter Zeitstempel 1003 5 8 SIMLO COppm mag f Abfrage des aktuellen Sensorwert f r CO SIMLO COppm mag t zugeordneter Zeitstempel 1003 5 8 SIMLO CO2ppm mag f Abfrage
63. n welche die Alarmdaten vom HYDROCAL abruft und f r den IEC 61850 Server vorbereitet Funktionsgruppe Sensoren Es muss eine Funktion geben welche die Sensordaten vom HYDROCAL abruft und f r den IEC 61850 Server vorbereitet Funktionsgruppe Netzwerkparameter Es muss eine Funktion geben welche pr ft ob sich das Konfigurations nderungsflag des HYDROCAL ge ndert hat Dieses Flag gibt Auskunft dar ber ob sich die Netzwerkparameter die ber das Display des HYDROCAL ge ndert werden k nnen und die Adapterkarte betreffen ge ndert haben Des Weiteren muss es eine Funktion geben die die einzustellenden Netzwerkparameter vom HYDROCAL abfragt und im Netzwerkinterface des SC143 hinterlegt Die neuen Parameter m ssen von einer anderen Funktion in der CID Datei eingetragen werden Funktionsgruppe Serverfunktionen Die in Tabelle 16 beschriebenen Funktionen werden unter dieser Kategorie zusammengefasst 7 Entwicklung der Serverapplikation 64 Funktionsgruppe Systeminformationen Es muss eine Funktion geben welche die Systeminformationen vom HYDROCAL abruft und f r den IEC 61850 Server vorbereitet Funktionsgruppe Systemfunktionen Es muss eine Funktion zum Neustarten des Servers geben In einer Hauptschleife sollen die einzelnen Funktionen der Funktionsgruppen aufgerufen werden Alle 60 Sekunden sollen die Werte aktualisiert werden Dieser Wert ist ausreichend weil der HYDROCAL alle 20 Minuten eine Messung durchf hrt
64. n durch nderungen an der Systemkonfigurationsdatei system ini ge ndert Die API Funktion BIOS Set Ini String 7 Entwicklung der Serverapplikation 70 ndert den bergebenen Eintrag einer ebenfalls zu bergebenden Kategorie der Ini Datei vgl BECK7 2010 Nach einem Neustart werden die Daten aus der Konfigurationsdatei auf dem Interface aktiv Der DHCP Status wird mit Hilfe der Api Funktionen Get DHCP Status vgl BECK8 2010 und Set DHCP Status vgl BECK9 2010 ausgelesen und gegebenenfalls ge ndert 7 3 5 Funktionsgruppe Serverfunktionen Systemfunktionen Es musste ein Weg gefunden werden die Uhrzeiten von HYDROCAL und SC143 miteinander zu synchronisieren In der Beispielapplikation wird ein externer NTP verwendet welcher die Uhr des SC143 stellt vgl SystemCORP 1 2012 S 29 Die Uhrzeit des NTP Servers wird verwendet um ein IEC 61850 Datenobjekt eine Uhrzeit zu zuordnen Der Nachteil ist dass wenn kein NTP Server zur Verf gung steht die Uhr nicht gestellt ist Daher wurde entschieden dass die Uhr des HYDROCAL die Zeitbasis darstellt Beim Systemstart ruft der SC143 die Zeit vom HYDROCAL ab und stellt seine Uhr Bei Funktionen die Messdaten betreffen wird der Zeitstempel der letzten Messung bergeben Bei den Alarmen und den Systeminformationen wird die aktuelle Uhrzeit bergeben Der HYDROCAL stellt die Daten als UNIX Zeitstempel zur Verf gung Die Daten des HYDROCALs werden den Objekten des IE
65. nahme der Controllerplatine traten keine Probleme mehr mit der Netzwerkkommunikation auf Es wurde die Kommunikation in beide Richtungen sowie mit verschiedenen Topologien getestet 6 Entwicklung der SCL Dateien Mit Hilfe der Substation Configuration Language wird das IED beschrieben Es gibt verschiedene Arten von SCL Dateien Die f r diese Arbeit relevanten Dateien werden im folgenden Kapitel erl utert In den Fertigungs und Best ckungsphasen der Hardware konnte parallel mit der Arbeit an der SCL Datei begonnen werden Es gibt die ICD IED Capability Description und die CID Configured IED Description Die ICD enth lt alle logischen Knoten um das IED zu beschreiben Die Datentyptemplates sind in dieser Datei bereits vorhanden Die Werte in ICD sind mit Defaultwerten bereits vorkonfiguriert Wenn die Datei sp ter im IED zum Einsatz kommen soll m ssen verschiedene Parameter angepasst werden Damit Server und Client mit einander kommunizieren k nnen m ssen f r den sp teren Betrieb der Kommunikationsteil und der Name in der CID Datei konfiguriert werden vgl Anhang 4 Im Kommunikationsteil m ssen IP Adressen Subnetzmaske und Gateway des Servers eingetragen werden Der IED Name ist f r die richtige Zuordnung bei der berwachung hilfreich Werden diese Daten in die ICD eingetragen wird aus der ICD eine CID Die CID ist demnach eine f r das einzelne Ger t f r den Betrieb notwendige Datei vgl IEC 61850 6 2010 S
66. ne Chip L sung mit einer Gr e von 6mm x 6mm und bietet alle Funktionalit ten eines herk mmlichen Ethernet Switches vgl ICPLUS 2013 S 1 Es ist m glich bis zu f nf 100BaseTX Schnittstellen oder vier 100BaseTX Schnittstellen und eine 100BaseFX Schnittstelle an den Chip anzuschlie en Der IP175GH wurde in die Schaltung des SC143 integriert Der SC143 wurde direkt an den IP175GH angeschlossen Des Weiteren wurde an eine Schnittstelle die interne Schnittstelle des HYDROCAL und an die andere Schnittstelle die Zuleitung von au en angeschlossen Abbildung 11 zeigt das Anschlussschema HYDROCAL extern LAN ETHERNET Abbildung 11 Anschlussschema des IP175GH Der Hersteller des IP175GH stellt in der Dokumentation keine Beispiele zur Verf gung wie der IP175GH anzuschlie en ist Die Standardbeschaltung der meisten Pins des IP175GH konnte jedoch der Dokumentation entnommen werden vgl ICPLUS 2013 S 11 Als problematisch stellte sich die direkte Kopplung des SC143 mit dem IP175GH heraus Bei der ersten Umsetzung wurde zur Kopplung beider Controller Kondensatoren zwischen RX RX 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 28 TX und TX gesetzt um hochfrequente St rsignale herauszufiltern Wie in der Beispielschaltung von Beck vorgeschlagen wird werden Widerst nde im Bereich von ca 50 Q verwendet SC143 IP175GH Abbildung 12 PHY to PHY Verbindung Controllerplatine Version 1 v
67. ns nderungen am Mikrocontroller durchzuf hren Zeitplanung F r die Durchf hrung des Projektes sind 13 Wochen vorgesehen Es gibt 2 Meilensteine um den Fortschritt des Projektes bewerten zu k nnen Der erste Meilenstein der zu erreichen ist ist die Fertigstellung der ICD Dateien Dieser Meilenstein wurde ausgew hlt weil erst nach Fertigstellung der ICD Dateien mit der Entwicklung der Serverapplikation begonnen werden kann Der 2 Meilenstein der ausgew hlt wurde ist die Inbetriebnahme der Hardware Erst wenn die Hardware zuverl ssig funktioniert kann die Software in seiner geplanten Umgebung im HYDROCAL getestet werden KW31 KW32 KW33 KW34 KW35 KW36 KW37 Erkl rung Hardware Entwicklung ICD Entwicklung Software Entwicklung KW38 KW39 KW40 KW41 KW42 KW43 Erkl rung Hardware Entwicklung ICD Entwicklung Tabelle 1 Zeitplanung des Projektes 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte Aus den Anforderungen der Aufgabenstellung wurde die Schaltungsentwicklung in verschiedene Module unterteilt e Modul 1 Grundschaltung des SC143 e Modul 2 Kommunikation mit dem HYDROCAL e Modul3 Ethernetschnittstelle des SC143 Anschlie end erfolgten die Inbetriebnahme und ein Test Eingesetzter Mikrocontroller Im Vorwege der Arbeit wurde ein Mikrocontroller der Firma BECK IPC wegen der in der Tabelle aufgef hrten Eigenschaften ausgew hlt und ein Entwicklungsboar
68. nze jedoch berschritten Die ICD Dateien wurden daher in mehreren Etappen erstellt und dann nach und nach im Editor zusammengef gt New Open Save Save As Close Tools SSC Detail Optional pli E SubNetwork SubNetworkName SubNetworkName ll ConnectedAP SubstationRing1 a U Adress BE option JP P OSI AP Title 1 1 9999 1 JP P OSI AE Qualifier 12 IP P OSI PSEL 00000001 IP P OSI SSEL 10001 IP P os TseL 0001 Pr 192 168 1 33 JP P IP SUBNET 255 255 255 0 IP P IP GATEWAY 192 168 1 1 JP P MAC Address 00 01 02 03 04 05 GSE GSEGroup d PhysConnGroup SW SMVGroup o BA serveriED NewiED MewEn o EB AccessPoint SubstationRing1 SubstationRingt J NW zZ Server E 9 li Device 1 Devicet M no Luno Logical node zero Mandatory e M LN ccioo Generic process I O eW LN LPHD0 Physical device information Lu awa Insulation medium supervision liquid Hf DatasetGroup REB ReportControlGroup LIG LogControlGroup E InputsGroup DO DO Beh Enumerated status Mandatory B6 DO InsAIm Single point status Mandatory DO DO GasFIWTr Single point status Mandatory e BO DO Tmp Measured value Optional o DO DO H20 Measured value Optional DO DO H20Tmp Measur
69. r ft ob die Betriebsspannung an den richtigen Stellen anliegt Dieser Test ergab dass die Best ckung der Bauteile den Vorgaben des Schaltplans entsprechend durchgef hrt wurde 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 31 Test 2 Pin Test Es wurde gepr ft ob alle Pins des SC143 richtig angeschlossen sind und mit der Platine verbunden sind Dazu wurde auf einem Steckbrett die Beispielnetzwerkschaltung aus dem Handbuch des SC143 nachgebaut und eine RJ45 Schnittstelle angeschlossen Dazu wurde die Verbindung zum IP175GH durch Entfernen der Koppelkondensatoren getrennt Die Schaltung auf dem Steckbrett wurde mit den Pins auf der Controllerplatine verbunden Anschlie end wurde ein Netzwerkkabel angeschlossen und die Verbindung erneut getestet Die Verbindung konnte hergestellt werden Der Test war erfolgreich Er zeigte dass es m glich ist eine Netzwerkverbindung mit einer direkt an den SC143 angeschlossene RJ45 Buchse aufzubauen Test 3 Pr fung des IP175GH und der Interfacekarte 96138 In diesem Test sollte die Interfacekarte 96138 und der Switch IP175GH berpr ft werden Dazu wurde berpr ft ob eine Verbindung von einer Schnittstelle der Interfacekarte zur anderen hergestellt werden kann Dieser Test war nicht erfolgreich Es konnte keine Verbindung aufgebaut werden Weiterhin fiel auf dass von keinem der Ports eine Verbindung zum Switch aufgebaut wurde Aus diesem Test wird deutlich dass der Fehler in Verbindung zwi
70. rbedingungen 1 HYDROCAL ist gestartet 2 Software der Erweiterungskarte ist gestartet 3 CID Datei angepasst 4 IEC 61850 Server gestartet Typischer Ablauf 1 Stelle Verbindung zum HYDROCAL her 2 berpr fe den Typ des HYDROCAL 3 Frage den Wert X des HYDROCAL ab 4 bergabe an entsprechendes IEC 61850 Objekt Alternativer Abl ufe Tritt ein Verbindungsfehler auf wird die Erweiterungskarte neu gestartet Kritikalit t Sehr hoch System macht ohne Funktionalit t keinen Sinn Tabelle 10 Use Case Daten auslesen vgl Quelle Kleuker 2013 S 68 7 Entwicklung der Serverapplikation 54 Wenn neue Mess und Alarmdaten im HYDROCAL vorliegen muss das System f hig sein die Messdaten vom HYDROCAL abzufragen und den richtigen Objekten des CID Dateien zuzuordnen Wenn keine Verbindung zum HYDROCAL aufgebaut werden kann oder ein anderer Fehler vorliegt muss das System in der Lage sein die Erweiterungskarte neu zu starten SYSTEM HYDROCAL Abbildung 27 Use Case Daten auslesen 7 Entwicklung der Serverapplikation 55 Name des Use Case Netzwerkparameter einstellen Nummer U2 Autor Fachverantwortlicher C Cohrs Version 1 0 01 Sept 2014 Erstellung Kurzbeschreibung Anwender stellt Netzwerkparameter am Display des HYDROCAL ein Beteiligte Aktoren Systemintern HYDROCAL Firmware Endanwender Referenzen HYDROCAL Handbuch
71. ridClone Er bietet die M glichkeit automatisierte Test auf Normkonformit t nach IEC 61850 10 durchzuf hren vgl GridClone 2012 Die Software wird auch von Zertifizierungslaboren wie dem T V S d eingesetzt um IEC 61850 Serverapplikationen Normkonformit t zu zertifizieren Neben dem Simflex Client Simulator wurde zur berpr fung der Normkonformit t von SCL und ICD Dateien das Softwaretool Simflex SCL Checker empfohlen SystemCORP nutzt in einem Beispiel vgl SystemCORP 1 2010 S 11 die Software Omicron IEDScout zur berpr fung einer ICD Datei Im August 2014 wurde eine aktuelle Version des IEDScout ver ffentlicht Dieses Programm eignet sich laut Hersteller f r die Anwendungsbereiche Pr fen Fehlersuche Inbetriebnahme und IED Entwicklung vgl Omicron 2014 Die angegebenen Anwendungsbereiche passen somit zu den Anforderungen 8 Tests 73 8 2 Test mit Simflex Client Simulator Der Simflex Client Simulator bietet Testroutinen zur Konformit tspr fung nach IEC 61850 10 In einer Telefonkonferenz mit der Firma GridClone wurden die grundlegenden Funktionen der Software erl utert Im Anschluss konnte eine Testversion der Software zwei Wochen lang getestet werden Die Testversion umfasst jedoch nur einen kleinen Teil des Tests Die Kosten f r eine Vollversion des Simflex Client Simulator berstiegen das Projektbudget erheblich Es wurde entschieden die Software trotz des eingeschr nkten Le
72. rundschaltung des SC143 vgl Quelle Beck 1 2010 S 54 24 Abbildung 7 Spannungsreglung vgl Quelle Anhang 2 essen 24 Abbildung 8 berwachungsschaltkreis f r den Reset vgl Quelle Anhang 1 S 11 25 Abbildung 9 Serielle Debugschnittstelle vgl Quelle Anhang 6 S 1 25 Abbildung 10 Beschaltung des Modemsockel des HYDROCAL vgl Quelle Anhang 1 S 1 26 Abbildung 11 Anschlussschema des IP175GH esses eene enne nennen rennen nens 27 Abbildung 12 PHY to PHY Verbindung Controllerplatine Version 1 vgl Quelle Anhang 1 S 1 28 Abbildung 13 Controller Platines iiiter 0 manage erede e eve e nene eee eese 29 Abbildung 14 Interfaceplatine 96138 mit 2xRJ45 mit 1x RJ45 und 1x SC Anschluss 96139 29 Abbildung 15 Controllerplatine mit aufgesteckter Interfaceplatine ssssssssssssssssesssrsrrsserrrssrsrssssee 29 Abbildung 16 Angepasstes Schirmblech mit befestigter Interfaceplatine eessessesss 29 Abbildung 17 Ausgabe von IPCFG EE 30 Abbildung 18 Integration eines Transformators in die Schaltung nen 33 Abbildung 19 PHY to PHY Verbindung Controllerplatine Version 2 vgl Quelle Anhang 6 S 2 33 Abbildung 20 Layout Controllerplatine Version 3 35 Abbildung 21 Layout der Controllerplatine Version 3 36 Abbildung 22 ICD Designer 38 Abbildung 23 bersicht ber den LN Physical device information v
73. s Transportes der Daten In dieser Arbeit wird der PIS10 von SystemCORP f r den Bau der IEC 61850 Serverapplikation verwendet Als physisches bertragungsmedium dient Ethernet Die IEC 61850 erm glicht die hersteller und plattformunabh ngige Kommunikation zwischen verschiedenen IEDs Die Kommunikation erfolgt objektorientiert Die verschiedenen IEDs werden mit Hilfe der Substation Configuration Language kurz SCL beschrieben In einer SCL Datei wird das IED mit in der IEC 61850 festgelegten Eigenschaften beschrieben vgl SystemCORP 2010 S 5 Diese SCL Datei wird auf dem Server hinterlegt und kann vom Client abgerufen werden Damit haben Client und Server eine gemeinsame genormte Basis mit der ein Datenaustausch m glich ist In der SCL Datei wird das betreffende IED genau beschrieben SCL basiert auf der Extensible Markup Language XML Es handelt sich um eine Sprache die 3 IST Analyse 18 sowohl f r den Menschen als auch f r Maschinen lesbar ist Beide Sprachen dienen dem universellen Austausch von Daten Die wichtigsten Elemente einer SCL Datei werden im Folgenden beschrieben Im Header wird die Revision der IEC 61850 und die Sprache der SCL Datei festgelegt Der Kommunikationsteil der SCL Datei enth lt die verwendeten Netzwerkparameter des IED Die Parameter umfassen IP Adresse Subnetzmaske Gateway MAC Adresse und weitere Informationen wie zum Beispiel die VLAN Zugeh rigkeit Mit diesen Daten kann eine Verb
74. s Unternehmens EMH Energiemesstechnik GmbH in Kapitel 2 folgt in Kapitel 3 die IST Analyse Darin wird zuerst der HYDROCAL vorgestellt und anschlie end aufgezeigt welche Vorteile die bertragung der Messwerte mittels IEC 61850 bietet In diesem Kapitel werden auch die Grundbegriffe und Inhalte der Norm IEC 61850 n her erl utert In Kapitel 4 folgt dann die Konkretisierung der Aufgabenstellung die Teilung des Projekts in die drei Teilbereiche Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte Entwicklung der SCL Datei und die Entwicklung der Serverapplikation Dar ber hinaus wird die Zeitplanung f r das Projekt beschrieben In Kapitel 5 wird die Entwicklung der Hardware der Entwicklungskarte beschrieben In Abschnitt 5 1 wird das Hardwarekonzept erstellt Darin wird die Entwicklung der Schaltung 1 Einleitung 10 beschrieben Nach der Fertigung wird die Inbetriebnahme der Erweiterungskarte in Abschnitt 5 2 beschrieben Dabei werden mehrere Tests und Redesigns durchgef hrt bis die Erweiterungskarte einsatzbereit ist Kapitel 6 beschreibt die Programmierung der ben tigten SCL Dateien Es wird beschrieben welche Werkzeuge zur Erstellung der Dateien eingesetzt werden Anschlief end wird der normgerechte Aufbau des ICD Datei erl utert In Kapitel 7 geht es um die Entwicklung der Serversoftware Dazu kann in Abschnitt 7 1 die Anforderungsanalyse nachvollzogen werden Nach der Festlegung der Stakeholder werden die Ziele defin
75. s die Erweiterungskarte bei einem Neustart des HYDROCALs eingeschaltet bleibt wenn die Erweiterungskarte neu gestartet werden muss muss die Spannungsversorgung des HYDROCAL getrennt werden oder die Spannungsversorgung des Modemsockels abgeschaltet und sp ter wieder eingeschaltet werden 8 Tests 77 8 6 Bewertung der Testergebnisse Es wurden in den vorausgehenden Abschnitten umfangreiche Tests mit Tools unterschiedlicher Hersteller durchgef hrt Bei beiden Tools gab es Probleme in der Kompatibilit t des PIS10 Stack und dessen Funktionen Bei den GridClonetools war erst ein Update des PIS10 Stack notwendig damit normkonforme IEC 61850 Clientapplikationen eine Verbindung aufbauen k nnen Beim Tool von Omicron musste auf eine Betaversion zur ckgegriffen werden Der schnelle Support der Unternehmen zeigt jedoch auch dass das Thema Kompatibilit t sehr wichtig f r die Softwarehersteller ist Dies zeigt aber auch dass f r Applikationen anderer Hersteller nicht mit hundertprozentiger Sicherheit Kompatibilit t garantiert werden kann Bei der Auslieferung des Produktes gilt es dieses besonders zu beobachten Positiv war dass mit beiden L sungen letztendlich die Serversoftware erfolgreich getestet werden konnte Der durchgef hrte Integrationstest aus Abschnitt 8 5 hat ergeben dass sich die Erweiterungskarte in bestehende HYDROCAL Konfigurationen integrieren l sst 9 Fazit Nachdem in Kapitel 8 die fertige Erweiterungskarte und d
76. schen dem Switch und den Ports zu suchen ist Fehlersuche Zuerst wurde berpr ft ob durch Tauschen der Receive und Transmitleitungen das Problem behoben werden kann Beim Verbinden einer Schnittstelle mit dem Switch werden die Receivepins mit den Receivepins der Schnittstelle verbunden Der Versuch den Receivepin mit dem Transmitpin zu verbinden f hrte zu keinem Erfolg und wurde daher wieder r ckg ngig gemacht Als n chstes wurde ermittelt dass der IP175GH ber interne 50 O Widerst nde verf gt vgl ICPLUS 2013 S 1 Die eingef gten Widerst nde st rten den Verbindungsaufbau Nach Entfernen der 50 Q Widerst nde die in die Schaltung eingesetzt wurden wurde der Test wiederholt Dieser Test war erfolgreich Es wurde ein Pingtest durchgef hrt Mit diesem Test konnte festgestellt werden dass die Anschlussschaltung der am Switch IP175GH angeschlossenen Ports berarbeitet werden musste 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 32 5 2 2 Phase 2 Redesign Im n chsten Versuch soll die ge nderte Schaltung inbetriebgenommen werden Diese nach Test 2 ge nderte Schaltung wurde mit der Schaltung aus Test 1 verbunden Dazu wurden die Koppelkondensatoren wieder in die Schaltung eingesetzt und die Schaltung auf dem Steckbrett abgetrennt Erneut wurde die Verbindung vom Switch zum SC143 getestet Der Konnektivit tstest blieb weiterhin erfolglos sodass die Fehlersuche fortgesetzt wird Fehlersuche Zuerst wurde
77. sger te Kohlenstoffdioxyd Methan und Ethan messen vgl Abschnitt 3 1 Alarmdaten Alle HYDROCAL Ger te bieten die M glichkeit bis zu 16 Alarme zu konfigurieren Jeder Sensor kann mehreren Alarmen zugeordnet werden So werden verschiedene Alarmstufen f r verschiedene Schwellenwerte erm glicht Aber einem Alarm kann nur jeweils ein Sensor zugeordnet werden Der entsprechende Sensor wird nach Aktivierung berwacht Je nach Konfiguration des Alarms kann auf berschreitung Unterschreitung oder das Betreten bzw Verlassen eines Bereiches gepr ft werden M gliche Reaktionen auf eine der beschriebenen Alarmbedingungen sind Eintragungen im Datenspeicher das Aktivieren eines digitalen Ausgangs und oder das Senden einer SMS nur bei GSM Modem Mit der neuen Erweiterungskarte sollen der Alarmstatus und der Konfigurationsstring des Alarms bertragen werden k nnen Suche nach geeigneten logischen Knoten Um die ben tigten Daten normkonform nach IEC 61850 bertragen zu k nnen m ssen die Daten logischen Knoten zugeordnet werden Die logischen Knoten sind in der IEC 61850 7 4 definiert F r jeden HYDROCAL Typ wurde eine ICD Datei erstellt um die Unterschiede in der Konfiguration richtig abbilden zu k nnen 6 Entwicklung der SCL Dateien 40 Es gibt in der IEC 61850 keinen logischen Knoten der alle geforderten Daten zur Verf gung stellt Die ICD IED HYDROCAL musste daher aus mehreren verschiedenen logischen Knoten zusammenge
78. sind Die Pr fung war erfolgreich Somit konnte nachgewiesen werden dass die CID Datei von einer externen Clientapplikation lesbar ist Als n chstes wurde gepr ft ob die Daten des HYDROCAL dem richtigen Objekt des IED zugeordnet werden und von der Clientsoftware IEDScout gelesen werden k nnen Dazu wurden im HYDROCAL verschiedene Mess und Alarmwerte simuliert Diese werden von der Serversoftware vom HYDROCAL abgerufen und mittels IEC 61850 bertragen IEDScout kann den Inhalt der Objekte des CID auslesen und anzeigen Die vom IEDScout empfangenen Daten wurden mit den Daten des HYDROCAL verglichen IED Daten und HYDROCAL Daten stimmten berein 8 4 Test der SCL Datei Die ICD Datei wurde mit Hilfe des Simflex SCL Checkers berpr ft Auch hier stand nur eine Testversion mit geringerem Funktionsumfang zur Verf gung Es wurden alle freigeschalteten Tests erfolgreich durchgef hrt Die Tests werden nachfolgend in der Tabelle 19 kurz zusammengefasst vgl Tabelle 19 Das Testprotokoll befindet sich im Anhang vgl Anhang 12 Testname Beschreibung sCnf1 Testet ob die Dateistruktur zum angegebenen Header passt sCnf2 Testet ob das IED mit der CID Datei antwortet welches mit der Vorgabe bereinstimmt sMdl1 Testet ob alle vorgeschriebenen Objekte in jedem logischen Knoten vorhanden sind sMdl4 Testet ob die Namenkonventionen eingehalten werden Namensl nge Objekterweiterungen sMd
79. sion 1 0 01 Sept 2014 Erstellung Kurzbeschreibung Parameter in der CID Datei eintragen Beteiligte Aktoren Systemintern Anwender Referenzen HYDROCAL Handbuch Vorbedingungen 1 HYDROCAL ist gestartet 2 Software der Erweiterungskarte ist gestartet 3 System nderung vom User initiiert oder vom System erkannt Typischer Ablauf 1 Alte CID Datei ffnen 2 Backup anlegen 3 Richtige Stelle in der CID Datei finden 4 Neue Parameter aus der HYDROCAL Firmware auslesen oder generieren 5 Neue Parameter an die gefundene Stelle schreiben 6 Ger t neu starten Alternativer Abl ufe Bei Fehlern Backupdatei wiederherstellen Kritikalit t Sehr hoch System macht ohne Funktionalit t keinen Sinn Verkn pfungen Ziel 2 Tabelle 13 Use Case CID Datei ndern vgl Quelle Kleuker 2013 S 68 eine Backupdatei aus der bestehenden CID Datei zu erzeugen Wenn Parameter an der CID Datei ge ndert werden m ssen muss das System f hig sein 7 Entwicklung der Serverapplikation 58 Wenn Parameter im CID Datei ge ndert werden m ssen muss das System f hig sein den richtigen Parameter in der Datei zu finden und zu ndern Wenn das CID Datei durch einen Fehler zerst rt wird muss das System in der Lage sein die Backupdatei wiederherzustellen SYSTEM Abbildung 28 Use Case CID Datei ndern 7 Entwicklung der Serverapplikation 59 Name des
80. ssungen werden durch den logischen Knoten SIML Insulation medium supervision liquid abgedeckt Tabelle 3 Zuordnungstabelle LPHD 6 Entwicklung der SCL Dateien 42 5 14 5 LN Insulation medium supervision liquid Name SIML For a description of this LN see IEC 61850 5 The insulation medium is a liquid such as oil like that used for example for some transformers and tap changers For other measuring objects related to the same IED a new instance of SIML may be used If the new measuring point s is are related to a new IED a new instance of SIML shall be used Data object Common name data class LNName Instance ID according to IEC 61850 7 2 Clause 22 Data objects Stratus information Insulation liquid critical refill insulation medium ses insulation liquid not safe block device operation InsTr Insulation liquid dangerous trip for device isolation TmpAlm Insulation liquid temperature alarm Sasnsam pes Joas m insulation ausum may be usea Tor Bueno aarm Sans be Jens m insulation tauia tnp may beuseaforBuennaismp sr pes _Insuaton tauia tw np because or gas may be usea or bumara fO seme Ee besiess E beten bo beisen Jh kum pes jum Lev MV Relative saturation of moisture in insulating liquid in 96 Ho Jr e er u Eee ler H20Air Mv Relative saturation of moisture in air in expansion volume in 96 lo boom e frempertur fung Bu ep 130 essem Jo a
81. stoffmonoxid tritt zum Beispiel beim Zersetzen der Papierisolierung auf K nnen bei einer Messung Azetylen und Athylen nachgewiesen werden sind das m gliche Indikatoren f r eine berhitzung eine Teilentladung oder f r hochenergetische Lichtb gen vgl EMH 2 2010 S 1 Der HYDROCAL kann durch weitere transformationsspezifische Sensoren bedarfsorientiert erweitert werden Dadurch ist es dem Kunden m glich auch Fremdsensoren zu integrieren und mit Hilfe des HYDROCAL weitere Funktionen und Arbeitsschritte zu berwachen Dazu 3 IST Analyse 13 stehen bis zu vier analoge Eing nge 0 4 20mA und bis zu sechs ber Jumper konfigurierbare Analogeing nge bereit vgl EMH 2 2010 S 1 Weiter bietet der HYDROCAL die M glichkeit mit Hilfe von Relaisausg ngen Alarme zu bertragen oder Steuerfunktionen zu bernehmen Die Steuerung des HYDROCAL kann direkt am Ger t ber ein Display und eine Tastatur erfolgen F r den lokalen Zugriff stehen eine RS485 und eine Ethernetschnittselle zur Verf gung Sowohl RS485 als auch die Ethernetschnittstelle k nnen mit hauseigenen Protokollen oder MODBUS RTU ASCII TCP Protokoll betrieben werden F r den Fernzugriff stehen als Option ein on board GSM oder Analogmodem und ein on board DNP3 seriell Modem zur Verf gung vgl EMH 2 2013 S 1 Mit Hilfe der Kommunikationsschnittstellen kann der HYDROCAL mit der PC Software Hydrosoft verbunden werden Hydrosoft erm glicht die Konfigurat
82. sz hlern in den Pr fstellen von Z hlerherstellern Energieversorgern oder Dienstleistungsunternehmen Diese Messger te unterliegen strengen Pr zisionsanforderungen da sie nach ihrer Zulassung durch die Physikalisch Technische Bundesanstalt im amtlichen Eichwesen verwendet werden Das Unternehmen ist nach DIN EN ISO 9001 2008 zertifiziert und betreibt ein akkreditiertes Labor nach DIN EN ISO 17025 sowie eine akkreditierte Inspektionsstelle nach DIN EN ISO 17020 vgl EHM 1 o J S 1 3 IST Analyse 3 1 HYDROCAL Eines der Kernprodukte das die EMH entwickelt ist der HYDROCAL Der HYDROCAL ist ein am Transformator fest installiertes Multi Gas in l Analyse System Es dient der Transformator berwachung Der HYDROCAL besteht aus einer Mess und Controllerkarte und mehreren Messkammern Die Ger te und ihre einzelnen Komponenten werden in Litauen produziert und gefertigt Je nach Ger tetyp k nnen bis zu 8 unterschiedliche Gase gemessen werden Gemessen werden k nnen folgende Gase Wasserstoff H Kohlenmonoxid CO Kohlendioxid CO Methan CH4 Azetylen C2H2 thylen C2H4 Ethan C2H6 Der HYDROCAL entnimmt dem Transformator eine lprobe und analysiert diese Je nach Auftreten der oben aufgef hrten Gase k nnen Fehler im Transformator fr hzeitig erkannt werden um St rungen und Ausf lle zu verhindern Ein Auftreten von Wasserstoff kann ein Anzeichen auf einen Fehler des Isolationssystems sein Kohlen
83. tos real time operation system 2010 http www beck ipc com de products rtos index asp Abruf 08 0kt 2014 BECK 4 dk61 2010 http www beck ipc com de products sc1x3 dk61 asp more Abruf 12 0kt 2014 BECK 5 Getting Started IPC CHIP Embedded Web Controller Family IEC 61850 Basics 2010 http www beck ipc com files manual Getting Started DK61 IEC61850 v10 pdf Abruf 22 0kt 2014 BECK 6 Beispiele Serielle Schnittstellen FOSSIL 2011 http www beck ipc com de download load asp f examples api fossil_v3 03 zip Abruf 23 0kt 2014 BECK 7 CHIP RTOS C Library BIOS API 2010 http www beck ipc com files api scxxx CLIB BIOS bios223 htm Abruf 20 0kt 2014 BECK 8 CHIP RTOS C Library BIOS API 2010 http www beck ipc com files api scxxx CLIB TCPIP tcp73 htm Abruf 20 0kt 2014 BECK 9 CHIP RTOS C Library BIOS API 2010 http www beck ipc com files api scxxx CLIB TCPIP tcp72 htm Abruf 20 0kt 2014 EMH 1 ber uns ohne Jahr http www emh eu cms front_content php idart 64 Abruf 28 10 2014 EMH 2 HYDROCAL 1008 Multi Gas in l Analysesystem mit Transformator berwachungsfunktionen 2013 http www emh eu cms upload pdf Dateien Data sheet HYDROCAL 1008 german EMH pdf Abruf 27 10 2014 10 Literaturverzeichnis 82 E ON Vorgehensweisen und Erfahrungen mit der IEC 61850 bei der E ON Th ringer Energie AG 2008 https www vde com de
84. und die Schleife zum Empfang von Befehlen wird nicht verlassen F r diesen Fall wurde ein Timeout eingerichtet welcher nach 30 erfolglosen Wartezyklen 50 ms einen Neustart der Erweiterungskarte initiiert vgl CODE 1 uart c 7 Entwicklung der Serverapplikation 68 7 3 3 Funktionsgruppe Alarme Sensoren Systeminformationen Daten bergabe Abbildung 31 Ablaufplan Updatefunktionen In einer Schleife werden die Funktionen aus den Funktionsgruppen Alarme Sensoren und Systeminformationen aufgerufen Zum Auslesen der Daten senden die verschiedenen Funktionen Befehle an den HYDROCAL Dazu werden die Funktionen aus der Funktionsgruppe UART verwendet Die neuen Daten werden an die Funktion IEC61850 Update bergeben vgl Abbildung 31 Anschlie end k nnen die neuen Daten bertragen werden IEC 61850 Clientapplikationen k nnen die aktuellen Daten jetzt abrufen 7 Entwicklung der Serverapplikation 69 7 3 4 Funktionsgruppe Netzwerkparameter nderung erforderlich Flag nicht gesetzt Abbildung 32 Ablaufplan Netzwerkparameter F r die Funktionsgruppe Netzwerkparameter wurde zur besseren bersicht der in Abbildung 32 dargestellter Ablaufplan erstellt Bei der Umsetzung musste darauf geachtet werden dass die Daten an der richtigen Stelle der CID Dateien eingetragen werden Dazu werden Standardfunktionen aus der string h verwendet vgl CODE 1 netsetup c Die nderungen am Netzwerkinterface des SC143 werde
85. us information EEHealth E External equipment health LocKey S Local or remote key oc Local control behaviour ses NS integer status input ses General single alarm NS PS General single warning SPS General indication binary input Measured and metered values Anin1 Analogue input AnOut1 Arc Controllable analogue output CntRs1 Bcr Konte resettable ontrols MV APC BCR OpCntRs INC Resettable operation counter LocSta u authority at station level INC SPCSO1 Single point controllable status output DPCSO1 ISCSO1 inc nteger status controllable status output Double point controllable status output Abbildung 25 LN GGIO vgl IEC 61850 7 4 2010 S 45 Wenn es kein passendes definiertes Objekt gibt kann der logische Knoten GGIO Generic process UO vgl Abbildung 25 Im LN GGIO gibt es das Objekt Alm1 General Single Alarm F r die 16 Alarme wurden 16 Instanzen dieser Objekte angelegt F r jeden Alarm gibt es ein Attribut welches beschreibt ob der Alarm konfiguriert ist Ein weiteres Attribut ist der Alarmzustand Ein konfigurierter Alarm hat einen Status mit dem der Alarmzustand beschrieben wird Das dritte Attribut welches bertragen werden muss ist ein Statusstring der den Alarm n her beschreibt Tabelle 5 zeigt die verwendeten Attribute und die zugeordneten Daten des HYDROCALS Es werden in der Tabelle lediglich die Beschreibung des 1 Alarms gezeigt die Alarme 2 16 sind analog
86. ut oder Fertigungsfehler untersucht Ebenso bieten die Durchkontaktierungen ein Fehlerpotential Diese verbinden den Top und Bottomlayer miteinander Zum Test wurden die auf dem Bottomlayer befindlichen Leiterbahnen aufgetrennt Die jetzt fehlende Verbindung wurde durch eine Kupferlackdrahtverbindung ersetzt Dieses f hrte jedoch zu keiner Ver nderung des Verhaltens Als n chste m gliche Fehlerquelle wurden die Kontakte der Transmit und der Receivepins des SC143 berpr ft Aufgrund der Bauform des Mikrocontrollers konnten diese jedoch nicht berpr ft werden Eine Messung der Spannungsverh ltnisse an den Centerports des Transformators ergab dass am Transmitcenter eine kaum messbare Spannung von wenigen Millivolt anliegt Eine Widerstandsmessung ergab einen Widerstand von mehreren Megaohm Beide Ergebnisse deuten auf einen nicht richtig angeschlossenen Pin hin Aufgrund der Bauart des SC143 konnte dieser Fehler jedoch nicht eindeutig nachgewiesen werden Die Ergebnisse der Messungen gaben jedoch den Anlass f r ein weiteres Redesign Dabei wurde die Position des Transformators erneut ge ndert Weiter wurde darauf geachtet dass der SC143 eine gr ere Massefl che erh lt um auftretende St rfaktoren wie Durchkontaktierungen in diesem Bereich zu vermeiden vgl Abbildung 21 5 Entwicklung der Hardware der Erweiterungskarte 36 EES H i e TE y NH Abbildung 21 Layout der Controllerplatine Version 3 Bei der 3 Inbetrieb
87. werden Abbildung 26 zeigt einen Screenshot aus einer IEC 61850 Clientsoftware Omicron IED Scout V2 Er zeigt beispielhaft wie eine Clientsoftware das Reporting im praktischen Einsatz nutzt In diesem Fall werden die Daten des Reports alle f nf Sekunden berpr ft Das kleine Ausrufezeichen ist ein Hinweis auf eine Anderung der Daten Alle f r den Kunden relevanten Daten seiner verschiedener Mess und berwachungsger te sind mittels der bertragung des IEC 61850 direkt auf einen Blick zu sehen F r den Kunden ist dies ein gro er Vorteil In diesem Fall werden zwei verschiedene HYDROCAL Ger te berwacht Abbildung 26 Screeshot Omicron IED Scout V2 6 Entwicklung der SCL Dateien 47 6 3 Entwicklung der CID Dateien Die CID Datei ist eine konfigurierte ICD Datei Durch eintragen eines IED Namen und der Zuweisung von Netzwerkparametern wird aus einer ICD Datei eine CID Datei Aus der Aufgabenstellung in Kapitel 4 ergibt sich dass die Netzwerkparameter und der IED Name w hrend der Laufzeit bei Bedarf ge ndert werden k nnen Daraus folgt dass auch die CID Datei w hrend der Laufzeit ge ndert werden muss Die Aufgabe des nderns der CID Datei ist eine der Aufgabe der Serverapplikation Die Erstellung der Serversoftware wird im folgenden Kapitel 7 beschrieben Die Tests auf Normkonformit t der Serversoftware und der ICD Datei werden im Kapitel 8 erl utert 7 Entwicklung der Serverapplikation Im n chsten Abschnitt wird

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