ДСТУ IEC/TR 61850-90-4:2016 Коммуникационные сети и системы для автоматизации электроэнергетических предприятий. Часть 90-4. Руководства по сетевым технологиям (IEC/TR 61850-90-4:2013, ІDТ)

НАЦІОНАЛЬНИЙ СТАНДАРТ УКРАЇНИ

IEC/TR 61850-90-4:2013

COMMUNICATION NETWORKS AND SYSTEMS FOR POWER UTILITY AUTOMATION
Part 90-4: Network engineering guidelines

ДСТУ IEC/TR 61850-90-4:2016
(IEC/TR 61850-90-4:2013, IDT)

КОМУНІКАЦІЙНІ МЕРЕЖІ ТА СИСТЕМИ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦІЇ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ ПІДПРИЄМСТВ
Частина 90-4. Настанови щодо мережних технологій

Київ
    
(ДП «УкрНДНЦ»)
 2016

ПЕРЕДМОВА

1 ВНЕСЕНО: TOB «Укренергоналадка», Технічний комітет стандартизації «Керування енергетичними системами та пов’язані з ним процеси інформаційної взаємодії» (ТК 162)

2 НАДАНО ЧИННОСТІ: наказ    
(ДП «УкрНДНЦ») від 24 червня 2016 р. № 187 з 2016-09-01

3 Національний стандарт відповідає IEC/TR 61850-90-4:2013 «Communication networks and systems for power utility automation — Part 90-4: Network engineering guidelines» (Комунікаційні мережі та системи для автоматизації електроенергетичних підприємств. Частина 90-4. Настанови щодо мережних технологій)

Ступінь відповідності — ідентичний (IDТ)

4 УВЕДЕНО ВПЕРШЕ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ВСТУП

Цей національний стандарт, прийнятий методом передруку, — ідентичний щодо IEC/TR 61850-90-4:2013 «Communication networks and systems for power utility automation — Part 90-4: Network engineering guidelines» (Комунікаційні мережі та системи для автоматизації електроенергетичних підприємств. Частина 90-4. Настанови щодо мережних технологій).

Технічний комітет стандартизації, відповідальний за цей стандарт в Україні, — ТК 162 «Керування енергетичними системами та пов’язані з ним процеси інформаційної взаємодії».

У цьому національному стандарті зазначено вимоги, які відповідають законодавству України.

Структурні елементи цього стандарту: «Титульний аркуш», «Передмова», «Національний вступ» та «Бібліографічні дані» — оформлено згідно з вимогами національної стандартизації України.

У цьому стандарті є посилання на міжнародні стандарти ІЕС 61850-3:2002, ІЕС 61850-4:2011, ІЕС 61850-5:2013, ІЕС 61850-6:2009, ІЕС 61850-7-1:2011, ІЕС 61850-7-2:2010, ІЕС 61850-7-3:2010, ІЕС 61850-7-4:2010, ІЕС 61850-8-1:2011, ІЕС 61850-9-2:2011, IEC/TR 61850-90-1:2010, IEC/TR 61850-90-5:2012, прийняті в Україні як національні стандарти відповідно:

— ДСТУ ІЕС 61850-3:2013 «Комунікаційні мережі та системи на підстанціях. Частина 3. Загальні технічні вимоги (ІЕС 61850-3:2002, IDT)»;

— ДСТУ ІЕС 61850-4:2013 «Комунікаційні мережі та системи на підстанціях. Частина 4. Керування системою і проектуванням (ІЕС 61850-4:2002, IDТ)»;

— ДСТУ ІЕС 61850-5:2014 «Комунікаційні мережі та системи на підстанціях. Частина 5. Комунікаційні вимоги до функцій і моделей приладів (ІЕС 61850-5:2003, IDT)»;

— ДСТУ ІЕС 61850-6:2014 «Комунікаційні мережі та системи для автоматизації електроенергетичних підприємств. Частина 6. Мова опису конфігурації для комунікації інтелектуальних електронних пристроїв на електричних підстанціях (ІЕС 61850-6:2009, IDТ)»;

— ДСТУ ІЕС 61850-7-1:2014 «Комунікаційні мережі та системи для автоматизації електроенергетичних підприємств. Частина 7-1. Базова комунікаційна структура. Принципи та моделі (ІЕС 61850-7-1:2011, IDТ)»;

— ДСТУ ІЕС 61850-7-2:2014 «Комунікаційні мережі та системи для автоматизації електроенергетичних підприємств. Частина 7-2. Базова інформаційна та комунікаційна структура. Абстрактний інтерфейс комунікаційного сервісу (ACSI) (ІЕС 61850-7-2:2010, IDТ)»;

— ДСТУ ІЕС 61850-7-3:2014 «Комунікаційні мережі та системи для автоматизації електроенергетичних підприємств. Частина 7-3. Базова комунікаційна структура. Класи загальних даних (ІЕС 61850-7-3:2010, IDТ)»;

— ДСТУ ІЕС 61850-7-4:2014 «Комунікаційні мережі та системи для автоматизації електроенергетичних підприємств. Частина 7-4. Базова комунікаційна структура. Сумісні класи логічних вузлів та класи даних» (ІЕС 61850-7-4:2010, IDТ)»;

— ДСТУ ІЕС 61850-8-1:2014 «Комунікаційні мережі та системи для автоматизації електроенергетичних підприємств. Частина 8-1. Визначене відображення комунікаційних сервісів. Відображення відповідно до специфікацій виробничих повідомлень (ISO 9506-1 і ISO 9506-2) та ISO/IEC 8802-3 (ІЕС 61850-8-1:2011, IDТ)»;

— ДСТУ ІЕС 61850-9-2:2014 «Комунікаційні мережі та системи на підстанціях. Частина 9-2. Визначене відображення комунікаційних сервісів (SCSM). Вибіркові значення згідно з ISO/IEC 8802-3 (ІЕС 61850-9-2:2011, IDТ)»;

— ДСТУ IEC/TR 61850-90-1:2013 «Комунікаційні мережі та системи для автоматизації електроенергетичних підприємств. Частина 90-1. Застосування ІЕС 61850 для комунікації між підстанціями (IEC/TR 61850-90-1:2010, IDТ)»;

— ДСТУ IEC/TR 61850-90-5:2014 «Комунікаційні мережі та системи для автоматизації електроенергетичних підприємств. Частина 90-5. Застосування ІЕС 61850 для передавання синхронізованої інформації відповідно до IEEE С37.118 (IEC/TR 61850-90-5:2012,IDТ)».

Копії нормативних документів, на які є посилання в цьому стандарті, можна отримати в Національному фонді нормативних документів.

CONTENTS

FOREWORD

INTRODUCTION

1 Scope

2 Normative references

3 Terms, definitions, abbreviations and conventions

3.1 Terms and definitions

3.2 Abbreviations

3.3 Conventions

3.3.1 Network diagram symbols

3.3.2 Port and link symbols

3.3.3 Bridges symbols

4 Overview of IEC 61850 networks

4.1 Logical allocation of functions and interfaces

4.2 IEC 61850 protocol stack.

4.2.1 General.

4.2.2 IEC 61850 traffic classes

4.2.3 MMS protocol

4.2.4 GOOSE protocol

4.2.5 SV protocol

4.3 Station bus and process bus

5 Network design checklist

5.1 Design principles

5.2 Engineering flow

5.3 Checklist to be observed

5.3.1 Summary

5.3.2 Environmental issues

5.3.3 EMI immunity

5.3.4 Form factor

5.3.5 Physical media

5.3.6 Substation application and network topology

5.3.7 Redundancy

5.3.8 Reliability, availability, maintainability

5.3.9 Logical data flows and traffic patterns

5.3.10 Latency for different types of traffic

5.3.11 Performance

5.3.12 Network management

5.3.13 Network supervision

5.3.14 Time synchronization and accuracy

5.3.15 Remote connectivity

5.3.16 Cyber security

5.3.17 Scalability, upgradeability and future-proof

5.3.18 Testing

5.3.19 Cost.

6 Ethernet technology for substations.

6.1 Ethernet subset for substation automation

6.2 Topology

6.3 Physical layer

6.3.1 Data rate and medium

6.3.2 Full-duplex communication and auto-negotiation

6.3.3 Copper cabling at 100 Mbit/s

6.3.4 Optical cabling at 100 Mbit/s (100BASE-FX)

6.3.5 Optical cabling at 1 Gbit/s (1000BASE-LX)

6.3.6 Copper cabling at 1 Gbit/s

6.4 Link layer

6.4.1 Unicast and multicast MAC addresses

6.4.2 Link layer and bridges

6.4.3 Bridging nodes

6.4.4 Loop prevention and RSTP

6.4.5 Traffic control in the bridges

6.4.6 Unicast MAC address filtering

6.4.7 Multicast MAC address filtering

6.4.8 Virtual LANs (VLANS) traffic control

6.4.9 Comparison VLAN versus multicast filtering

6.4.10 Layer 2 redundancy protocols

6.5 Network layer

6.5.1 Internet protocol

6.5.2 IP public and private addresses

6.5.3 Subnet masks

6.5.4 Network address translation

7 Network and substation topologies

7.1 General rule

7.2 Reference topologies and network redundancy

7.3 Reference topologies

7.3.1 Station bus topologies

7.3.2 Process bus and attachment of primary equipment

7.3.3 Station bus and process bus connection

8 Addressing in the substation

8.1 Network IP address plan for substations

8.1.1 General structure

8.1.2 IP address allocation of NET

8.1.3 IP address allocation of BAY

8.1.4 IP address allocation of device

8.1.5 IP address allocation of devices with PRP

8.2 Routers and GOOSE / SV traffic

8.3 Communication outside the substation

9 Application parameters

9.1 MMS parameters

9.2 GOOSE parameters

9.3 SV parameters

10 Performance

10.1 Station bus performance

10.1.1 Logical data flows and traffic patterns

10.1.2 GOOSE traffic estimation

10.1.3 MMS traffic estimation

14.6.3 IRIG-B

14.6.4 NTP/SNTP clock synchronization for IEC 61850-8-(station bus)

14.6.5 PTP (IEC 61588) synchronization

14.6.6 PTP clock synchronization and IEC 62439-3:2012

14.6.7 IEEE C37.238-2011 Power profile

14.7 PTP network engineering

14.7.1 PTP reference clock location

14.7.2 PTP connection of station bus and process bus

14.7.3 Merging units synchronization

15 Network security

16 Network management

16.1 Protocols for network management

16.2 Network management tool

16.3 Network diagnostic tool

17 Remote connectivity

18 Network testing

18.1 Introduction to testing

18.2 Environmental type testing

18.3 Conformance testing

18.3.1 Protocols subject to conformance testing

18.3.2 Integrator acceptance and verification testing

18.3.3 Simple verification test set-up

18.3.4 SimpleVLAN handling test

18.3.5 Simple priority tagging test

18.3.6 Simple multicast handling test

18.3.7 Simple RSTP recovery test

18.3.8 Simple HSR test 150

18.3.9 Simple PRP test 150

18.3.10 Simple PTP test 150

18.4 Factory and site acceptance testing

19 IEC 61850 bridge and port object model

19.1 Purpose

19.2 Bridge model

19.2.1 Simple model

19.2.2 Bridge Logical Node linking

19.3 Clock model

19.3.1 IEC 61588 datasets

19.3.2 Clock objects

19.3.3 Simple clock model

19.3.4 Linking of clock objects

19.4 Autogenerated IEC 61850 objects

19.4.1 General

19.4.2 Abbreviated terms used in data object names

19.4.3 Logical nodes

19.4.4 Data semantics

19.4.5 Enumerated data attribute types

19.4.6 SCL enumerations

19.4.7 Common data class specifications

19.4.8 Enumerated types

19.4.9 SCL enumerations

19.5 Mapping of bridge objects to SNMP

19.5.1 Mapping of LLNO and LPHD attributes to SNMP

19.5.2 Mapping of LBRI attributes to SNMP for bridges

19.5.3 Mapping of LPCP attributes to SNMP for bridges

19.5.4 Mapping of LPLD attributes to SNMP for bridges

19.5.5 Mapping of HSR/PRP link redundancy entity to SNMP

19.6 Mapping of clock objects to the C37.238 SNMP MIB

19.7 Machine-readable description of the bridge objects

19.7.1 Method and examples

19.7.2 Four-port bridge

19.7.3 Simple IED with PTP

19.7.4 RedBox wit HSR 206

Annex A (informative) Case study - Process bus configuration for busbar protection system

Annex B (informative) Case study - Simple Topologies (Transener/Transba, Argentina)

Annex C (informative) Case study - An IEC 61850 station bus (Powerlink, Australia)

Annex D (informative) Case study - Station bus with VLANs (Trans-Africa, South Africa)

Bibliography

Figure 1 - Network symbols

Figure 2 - Port symbols

Figure 3 - Bridge symbol as beam

Figure 4 - Bridge symbol as bus

Figure 5 - Levels and logical interfaces in substation automation systems

Figure 6 - IEC 61850 protocol stack

Figure 7 - MMS protocol time/distance chart

Figure 8 - GOOSE protocol time/distance chart

Figure 9 - GOOSE protocol time chart

Figure 10 - Example of SV traffic (4 800 Hz)

Figure 11 - Station bus, process bus and traffic example

Figure 12 - Example of engineering flow

Figure 13 - Ethernet local area network (with redundant links)

Figure 14 - Switch with copper (RJ45) ports)

Figure 15 - RJ45 connector

Figure 16 - LC connector

Figure 17 - Switch with optical fibres (LC connectors)

Figure 18 - RSTP principle

Figure 19 - IEEE 802.3 frame format without and with VLAN tagging

Figure 20 - PRP principle

Figure 21 - HSR principle

Figure 22 - HSR and PRP coupling (multicast)

Figure 23 - Mapping of electrical grid to data network topology

Figure 24 - Station bus as single bridge

Figure - Station bus as hierarchical star

Figure 26 - Station bus as dual star with PRP

Figure 27 - Station bus as ring of RSTP bridges

Figure 28 - Station bus as separated Main 1 (Bus 1) and Main 2 (Bus 2) LANs

Figure 29 - Station bus as ring of HSR bridging nodes

Figure 30 - Station bus as ring and subrings with RSTP

Figure 31 - Station bus as parallel rings with bridging nodes

Figure 32 - Station bus as parallel HSR rings

Figure 33 - Station bus as hierarchical rings with RSTP bridging nodes

Figure 34 - Station bus as hierarchical rings with HSR bridging nodes

Figure 35 - Station bus as ring and subrings with HSR

Figure 36 - Double busbar bay with directly attached sensors

Figure 37 - Double busbar bay with SAMUs and process bus

Figure 38 - Double busbar bay with ECT/EVTs and process bus

Figure 39-1 'A CB diameter with conventional, non-redundant attachment

Figure 40-1 1/4 CB diameter with SAMUs and process bus

Figure 41-114 CB diameter with ECT/EVT and process bus

Figure 42 - Process bus as connection of PIA and PIB (non-redundant protection)

Figure 43 - Process bus as single star (not redundant protection)

Figure 44 - Process bus as dual star

Figure 45 - Process bus as a single bridge (no protection redundancy)

Figure 46 - Process bus as separated LANs for main 1 and main 2

Figure 47 - Process bus as ring of HSR nodes

Figure 48 - Process bus as star to merging units and station bus as RSTP ring

Figure 49 - Station bus and process bus as rings connected by a router

Figure 50 - Station bus ring and process bus ring with HSR

Figure 51 - Station bus as dual PRP ring and process bus as HSR ring

Figure 52 - Station bus used for the measurements

Figure 53 - Typical traffic (packet/s) on the station bus

Figure 54 - Generic multicast domains

Figure 55 - Traffic patterns

Figure 56 - Multicast domains for a combined process bus and station bus

Figure 57 - Bridges with correct VLAN configuration

Figure 58 - Bridges with poor VLAN configuration

Figure 59 - Bridges with traffic segmentation through VLAN configuration

Figure 60 - Station bus separated into multicast domains by voltage level

Figure 61 - Multicast traffic on an RSTP ring

Figure 62 - RSTP station bus and HSR ring

Figure 63 - RSTP station bus and HSR process bus

Figure 64 - Clock synchronization channels

Figure 65 - 1 PPS synchronisation

Figure 66 - SNTP clock synchronization and delay measurement

Figure 67 - PTP elements

Figure 68 - PTP one-step clock synchronization and delay measurement

Figure 69 - PTP two-step clock synchronization and delay measurement

Figure 70 - Clocks in a PRP network coupled by BCs with an HSR ring

Figure 71 - C37.238-specific TLV

Figure 72 - Hierarchy of clocks

Figure 73 - Quality assurance stages (copied from IEC 61850-4)

Figure 74 - Test set-up for verification test

Figure 75 - Multiport device model

Figure 76 - Linking of bridge objects

Figure 77 - Clock model

Figure 78 - Linking of clock objects

Figure 79 - Class diagram LogicalNodes_90_4::LogicalNodes_90_4

Figure 80 - Class diagram LNGroupL.:LNGroupLExt

Figure 81 - Class diagram LNGroupL::LNGroupLNew

Figure 82 - Usage of VLAN filtering

Figure 83 - Usage of clock references

Figure 84 - Class diagram DetailedDiagram::DOEnums_90_4

Figure 85 - Class diagram CommonDataClasses_90_4::CommonDataClasses_90_4

Figure 86 - Class diagram CDCStatuslnfo::CDCStatuslnfo

Figure 87 - Class diagram CDCStatusSet::CDCStatusSet

Figure 88 - Four-port bridge

Figure 89 - Simple IED with PTP but no LLDP support

Figure 90 - RedBox with LLDP but no PTP

Figure A.1 - Preconditions for the process bus configuration example

Figure B. 1 - First Ethernet-based Transba substation automation network

Figure B.2 - Transba SAS architecture

Figure B.3 - Transener substation automation network

Figure B.4 - Transener SAS architecture - ET Esperanza

Figure B.5 - Transener 500 kV architecture - El Morejon

Figure B.6 - 500 kV kiosk topology

Figure B.7 - 33 kV kiosk topology

Figure C.1 - Example HV and LV single line diagram and lEDs

Figure C.2 - HV bay and cabinet module

Figure C.3 - Data network areas

Figure C.4 - Substation LAN topology

Figure C.5 - SAS Gen1 High level traffic flows

Figure C.6 - SCADA & gateway connection

Figure C.7 - Station Core

Figure C.8 - Overall VLANs

Figure C.9 - Three domains

Figure C.10 - One domain per diameter, bus zone and transformer protection

Figure D.1 - Conceptual topology of substation LAN network with redundancy

Figure D.2 - Detailed topology of substation LAN with redundancy

Figure D.3 - Original IPv4 Type of Service (ToS) octet

Figure D.4 - Differentiated Services (DiffServ) codepoint field

Table 1 - IEC 61850-5 interface definitions

Table 2 - Example of port ingress setting table

Table 3 - Example of port egress settings

Table 4 - Advantages and drawbacks of VLAN versus multicast filtering

Table 5 - IANA private IP address blocks (copied from RFC 1918)

Table 6 - IP address and mask example

Table 7 - Summary of reference topologies

Table 8 - Reference topologies and redundancy protocols used

Table 9 - Station bus as single bridge

Table 10 - Station bus as hierarchical star

Table 11 - Station bus as dual star

Table 12 - Station bus as ring

Table 13 - Station bus as separated Main 1 and Main 2 protection

Table 14 - Station bus as ring of bridging nodes

Table 15 - Station bus as ring and subrings

Table 16 - Station bus as parallel rings

Table 17 - Station bus as parallel HSR rings

Table 18 - Station bus as ring of rings with RSTP

Table 19 - Station bus as ring of rings with HSR

Table 20 - Station bus as ring and subrings with HSR

Table 21 - Process bus as connection of PIA and PIB

Table 22 - Process bus as single star

Table 23 - Process bus as dual star

Table 24 - Process bus as single bridge

Table - Process bus as separated LANs

Table 26 - Process bus as simple ring

Table 27 - Advantages and drawbacks of physical separation

Table 28 - Advantages and drawbacks of logical separation

Table 29 - Process bus as star to merging units

Table 30 - Connection of station bus to process bus by routers

Table 31 - Connection of station bus to process bus by RedBoxes

Table 32 - Connection of duplicated station bus to process bus by RedBoxes

Table 33 - Example IP address allocation of NET

Table 34 - Example IP address allocation of BAY

Table 35 - Example IP address allocation of device

Table 36 - Example IP address allocation of switches in PRP

Table 37 - IEC 61850-5 interface traffic

Table 38 - Message types and addresses

Table 39 - Transfer time requirements of IEC 61850-5

Table 40 - Elapsed time for an IEEE 802.3 frame to traverse the physical medium

Table 41 - Delay for an IEEE 802.3 frame to ingress or to egress a port

Table 42 - Latencies caused by waiting for a lower-priority frame to egress a port

Table 43 - Synchronization classes of IEC 61850-5

Table 44 - Time representations

Table 45 - Standards applicable to network elements

Table 46 - Normative abbreviations for data object names

Table 47 - Data objects of LNGroupL::LPHDExt

Table 48 - Data objects of LNGroupL::LBRI

Table 49 - Data objects of LNGroupL::LCCF

Table 50 - Data objects of LNGroupL::LCCHExt

Table 51 - Data objects of LNGroupL::PortBindingLN

Table 52 - Data objects of LNGroupL::LPCP

Table 53 - Data objects of LNGroupL::LPLD

Table 54 - Data objects of LNGroupL::LBSP

Table 55 - Data objects of LNGroupL::LTIMExt

Table 56 - Data objects of LNGroupL::LTMSExt

Table 57 - Data objects of LNGroupL::LTPC

Table 58 - Data objects of LNGroupL::LTPP

Table 59 - Attributes defined on classes of LogicalNodes_90_4 package

Table 60 - Literals of DOEnums_90_4::ChannelRedundancyKind

Table 61 - Literals of DOEnums_90_4::LeapSecondKind

Table 62 - Literals of DOEnums_90_4::RstpStateKind

Table 63 - Clock grandmaster status common data class definition

Table 64 - Clock port status common data class definition

Table 65 - Clock ordinary settings common data class definition

Table 66 - VLAN filters common data class definition

Table 67 - Literals of DAEnums_90_4::VlanTagKind

Table 68 - Mapping of LLN0 and LPHD attributes to SNMP

Table 69 – Mapping of LBRI and LBSP attributes to SNMP for bridges

Table 70 – Mapping of LPCP attributes to SNMP for bridges

Table 71 – Mapping of LPLD attributes to SNMP for bridges

Table 72 - Mapping of LCCH attributes for SNMP for HSR/PRP LREs

Table 73 - Mapping of clock objects in IEC 61850, IEC 61588 and IEEE C37.238

Table A.1 - Summary of expected latencies

Table C.1 - Site categories HV

Table C.2 - Site categories MV

Table C.3 - Building modules

Table C.4 - Network modules

Table C.5 - Domain assignment for three domains

Table C.6 - Domain assignment for one domain per diameter

Table C.7 - Summary of expected latencies

Table C.8 - Traffic types and estimated network load

Table D.1 - VLAN numbering and allocation

Table D.2 - Prioritization selection for various applications

Table D.3 - Mapping of applications to service levels

Table D.4 - List of DiffServ codepoint field values

Table D.5 - Example of DSCP to class of service mapping

Table D.6 - Example of DSCP mappings

Table D.7 - Typical substation IP Address map (IP range: 10.0.16.0/21)

Table D.8 - SNMP MIBs applicable to substation devices 3

Table D.9 - Example of device naming

Table D.10 - Example of interface addressing and allocation

Table D.11 - Example of device access and SNMP assignment

Table D.12 - Example of hardware identification

Table D.13 - Example of device name table

Table D.14 - Example of firmware and software table

Table D.15 - Example of interface addressing and allocation

Table D.16 - Example of network switch details

Table D.17 - Example of VLAN definitions

Table D.18 - Example of IP routing

Table D.19 - Example of QoS mapping

Table D.20 - Example of trunk and link aggregation table (void)

Table D.21 - LAN switch port speed and duplex configuration

Table D.22 - LAN switch port security settings

Table D.23 - Example of DHCP snooping

Table D.24 - Example of storm control table