Besseres Management dank Visualisierung Effizientes PRP/HSR-Netzwerk-Management in Umspannstationen

Die Computer der Serie DA-820 von Moxa ermöglichen in Umspannstationen PRP/HSR-Netzwerk-Management mit Visualisierung.
Die Computer der Serie DA-820 von Moxa ermöglichen in Umspannstationen PRP/HSR-Netzwerk-Management mit Visualisierung.

Wer ein Netzwerk-Management-Interface aus Systemen und Geräten erstellt, die verschiedene Protokolle nutzen, verursacht eventuell Risiken und Management-Probleme. Ein visualisiertes PRP/HSR-Netzwerk, das Power-SCADA mit eigens entwickelter Management-Middleware nutzt, kann solche Probleme vermeiden.

Automatisierungssysteme für Umspannstationen sind traditionell als festverdrahtete End-zu-End-Netzwerke strukturiert. Dies stellt sicher, dass die gesamte Kommunikation in Echtzeit läuft und die Reaktionszeiten kurz sind. Wenn jedoch die Netzwerkkommunikation auf Ethernet umgestellt ist, sind alle Geräte mit Ethernet-Komponenten wie Switches und Router verbunden. Hieraus resultiert eine potenzielle Netzwerkkommunikations-Latenz aufgrund von wechselnden Topologien, Datenverkehrsstau oder Priorisierung bestimmter Datenpakete. In betriebskritischen oder zeitsensiblen Anwendungen sind aber selbst Netzwerkunterbrechungen im Millisekunden-Bereich nicht tolerierbar, weil sie den Systembetrieb stark beeinträchtigen oder die Sicherheit des Personals vor Ort gefährden können. 

Der IEC-62439-Standard besagt, dass die Zeit, die eine Anlage zur Wiederherstellung benötigt, bevor Notfallmaßnahmen wie die Notabschaltung oder der Sicherheitsmodus greifen, weniger als 10 ms betragen sollte. IEC 61850 Edition 2 schreibt außerdem vor, dass die Kommunikations-Redundanz von GOOSE- und SMV-Protokollen in Automatisierungssystemen von Umspannstationen stoßfrei sein muss.
 
Was ist PHP/HSR?
 
Die in IEC 62439-3 beschriebenen Protokolle PRP (Parallel Redundancy Protocol) und HSR (High-Availability Seamless Redundancy) sind zwei Techniken, die nahtlose Ausfallsicherung an einzelnen Fehlerstellen ermöglichen. PRP erzielt aktive Netzwerkredundanz durch Paketduplizierung über zwei voneinander unabhängige, parallel arbeitende Netzwerke, wohingegen HSR vorrangig für Ringtopologien entwickelt ist. Auf Basis der beiden nahtlosen Redundanzprotokolle kann eine Redundancy Box (RedBox) Nicht-HSR- oder Nicht-PRP-Endgeräte, die an HSR- oder PRP-Netzwerke angebunden sind, schnell und mit null Umschaltzeit aktivieren. Betriebskritische Kommunikationsanwendungen in Umspannstationen können von diesen Redundanztechniken profitieren, um die Netzwerkzuverlässigkeit sicherzustellen.
 
Herausforderung 1: Überwachung und Fehlersuche in redundanten Netzwerken
 
Netzwerke nutzen üblicherweise MAC- und IP-Adressen als Management-Einheiten, die das Netzwerk und verschiedene Netzwerkgeräte steuern. PRP/HSR ist jedoch eine sehr neue Technik, die Datenpakete auf dem Link-Layer dupliziert, wobei sie die gleiche MAC-Adresse nutzt und sicherstellt, dass das Client-Ende Datenpakete auch bei Kommunikationsproblemen empfangen kann. Leider kann das aktuelle Netzwerk-Management-System nicht feststellen, dass das Paket dupliziert wurde, so dass der Anwender nicht sehen kann, ob beide Pakete empfangen wurden oder nicht. Zu erkennen, ob beide Pakete empfangen wurden oder nicht, liefert aber wichtige Informationen über die Qualität der Verbindung und den Zustand des redundanten Netzwerks.  Es ist folglich schwieriger, PRP/HSR-Netzwerke zu steuern und zu überwachen, weil Systemadministratoren den Echtzeit-Status des redundanten Netzwerks nicht kennen. Die Suche und Behebung von Fehlern in redundanten Pfaden wird ebenfalls zu einer großen Herausforderung, weil ja die fehlerhafte Stelle im Netzwerk unbekannt ist.
 
Herausforderung 2: Nicht vereinheitlichte Geräte- und Netzwerk-Management-Schnittstellen
 
Manufacturing Messaging Specification (MMS) ist das wichtigste Monitoring- und Datentransfer-Protokoll für die Kommunikation in IEC-61850-konformen Systemen. Weil jedoch immer mehr Netzwerkgeräte in IEC-61850-Systemen arbeiten, sind auch Nicht-MMS-fähige Geräte wie Industrial-Ethernet-Switches und Embedded-Computer für die Kommunikation und Steuerung wichtig geworden. Im Gegensatz zu IEC-61850-Geräten ist das heutzutage für das Management von IT-Equipment eingesetzte Protokoll das Simple Network Management Protocol (SNMP), das sich völlig von MMS unterscheidet und auf einer komplett anderen logischen Struktur beruht. Weil PRP/HSR-Geräte Supervision Frame für das Geräte-Management nutzen, ist es schwierig, die beiden Systeme für Monitoring und Management zu integrieren. 

Die Tatsache, dass es verschiedene Geräte- und Netzwerk-Management-Protokolle gibt – MMS für IEC-61850-Steuergeräte und SNMP für IT- oder Netzwerk-Geräte – führt dazu, dass die Central Management Suite, etwa Power-SCADA, Steuer- und Netzwerkgeräte nicht gleichzeitig zentral verwalten kann. Weil die meisten auf dem Markt erhältlichen Power-SCADA-Software-Suites nur mit MMS, aber nicht mit SNMP oder Supervision Frame kompatibel sind, wird die Netzwerkverwaltung mit einem einzelnen Power-SCADA-System unmöglich; die Netzwerkgeräte sind im Power-SCADA nicht zu sehen. Betreiber von IEC-61850-Systemen sind daher möglicherweise nicht in der Lage, mittels der Informationen aus dem Power-SCADA effizient und effektiv Systemausfälle zu verhindern oder zu korrigieren.