Klaus-Peter Brand ABB Switzerland Ltd Utility Automation Systems Baden, Switzerland [email protected] [email protected]

IEC 61850 Standardisierter Informationsaustausch in Schaltanlagen und darüber hinaus

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18.11.2003 ETH Kolloquium “Aktuelle Probleme der Elektrotechnik”

Vor 13 Jahren … „

Präsentation des ersten “Substation Automation Systems” in der Schweiz (Siviez) im ETH Kolloquium 1990 „ „

MS-Anlage, Stationsebene MicroScada, Feldgeräten mit Modulen sowohl für Steuerung als auch für Schutz, SPA-Bus (proprietär ABB) Siviez läuft bis heute ohne Probleme

Was hat sich von 1990 bis 2003 getan ? „ „ „

„

Was fehlt bis heute ? „ „

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„

Akzeptanz von Substation Automation Systemen Mehr als 4000 Systeme weltweit im Betrieb Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit in den meisten Fällen erreicht Möglichkeit Geräte verschiedener Hersteller mit vertretbarem Aufwand in ein System zu integrieren – Kommunikationsstandard ? Ausnahme: Schutzanbindung über den Standard IEC 60870-5-103

Neue Randbedingungen „ „

Deregulierung der elektrischen Energieversorgung Globalisierung des elektrischen Marktes

Anwendungsbereich Schaltanlagen • Serielle Kommunikation zwischen Stations- und Feldebene • Serielle Kommunikation zwischen Feld- und Prozessebene Stationsebene

MMK

FernwirkAnkopplung

StationsRechner

Stationsbus

Feldebene

Feldsteuerung

Schutz

Steuerung & Schutz

Feldsteuerung

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Feldbus Prozessebene

Schutz

KupferDrähte Prozess-Schnittstelle

Prozess-Schnittstelle

Prozess-Schnittstelle

Prozess = Schaltanlage

Ein globaler Stand für eine globale Welt IEC TC 57: 3 Working Groups - 60 Experts - 14 Countries WG10: Functional architecture and general requirements

WG11: Communication within and between unit and station levels

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WG12: Communication within and between process and unit level

WG – Working Group

Beiträge aus der Schweiz Arbeitsgruppenmitglieder aus der Schweiz • Rudolf Baumann, ETRANS, Laufenburg • Lars Andersson, ABB Schweiz AG, Zürich • Christoph Brunner, ABB Schweiz AG, Zürich • Klaus-Peter Brand, ABB Schweiz AG, Baden • Wolfgang Wimmer, ABB Schweiz AG, Baden

Publikationen in der Schweiz

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K.P.Brand, W.Wimmer Der Standard IEC 61850 - Offene Kommunikation in Schaltanlagen im deregulierten Strommarkt Bulletin SEV/VSE 1, 9-13 (2002) R.Baumann, K.P.Brand, C.Brunner, W.Wimmer IEC 61850 in Schaltanlagen als Kern einer durchGängigen Kommunikationslösung für den Netzbetreiber Bulletin SEV/VSE 3, 31-36 (2003)

Attraktivität über die Schaltanlage hinaus ƒ Substation automation nearly ready: IEC 61850

ƒ Telecontrol of substations: seamless Telecontrol Architecture (sTCA) feasibility proven, IEC TC57 / Ad Hoc Working Group 07

ƒ Addendum for Power quality monitoring accepted: new work proposal IEC 57/624/NP

ƒ Product standard for Switchgear equipment in work: IEC 62271-003

ƒ Control and monitoring of Wind power plants in work: IEC 61400-25

ƒ Control and monitoring of Distributed power stations in vote: new work proposal, IEC 57/660/NP

ƒ Control and monitoring of Hydroelectric power plants © Copyright 2003 ABB ETH Kolloquium - 6 -

in vote: new work proposal, IEC 57/661/NP

ƒ Metering (EPRI, IEEE), Gas, Water in discussion

Zitat zum Anwendernutzen

The flexibility provided by the IEC61850/UCA-MMS protocols has the potential for saving millions of dollars in development costs for utilities and manufacturers, since it eliminates the need for protocol converters and lengthy, complex database mapping when integrating devices from different manufacturers.

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Gustavo Brunello, GE, in Electricity Today, Issue 4, 2003, page 10

Forderungen vom Markt ergeben ... ƒ Globaler Markt ƒ braucht einen globalen Standard ƒ bedeutet einen weiten Bereich an Betriebsphilosophien ƒ Kombination von Geräten verschiedener Hersteller ƒ muss zumindest so wie mit Kupferdrähten möglich sein

ƒ

Kostenreduktion ƒ wird erwartet durch ƒ Konkurrenz ƒ intelligentere Funktionen ƒ wird erwartet ƒ bei Investitionen ƒ im Betrieb ƒ in der Wartung

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ƒ

Offener Standard ƒ ist gefragt, insbesondere offen für zukünftige Anforderungen und Entwicklungen

ƒ

Schutz der Investitionen ƒ Muss gewährleistet sein durch langfristige Stabilität, Wartbarkeit und Erweiterbarkeit

... Anforderungen an den Standard Interoperability

The ability for IED’s from one or several manufacturer to exchange information and use the information for the their own functions.

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Free configuration The standard shall support different philosophies and allow a free allocation of functions e.g. it must work equally well for centralized (RTU like) or decentralized (SCS like) systems and allow future optimizations. Long term stability It must be able to follow the progress in communication technology as well as evolving system requirements.

Lösungsansatz des IEC 61850 Problem für einen Kommunikationsstandard

Technologieänderungen !!!

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Slow

Fast

AnwendungsGebiet (Domain) Schaltanlage/SA

Lösung nach IEC 61850 Schaltgeräte, Schutz & Steuerung, Befehle, Ereignisse, Alarme, etc.

Anwendung

DATA MODEL Objects Service Abstract Communication Services Interface (ACSI)

Trennen ! Zukunftssicherer Zukunftssicherer Standard Standard ??? ???

Kommunikation KommunikationsTechnologie

ISO/OSI seven layer stack

Bits, Bytes, Telegramme über das Kommunikationsmedium

7 6 5 4 3 2 1

Das Objektmodell: Der Logische Knoten Information wird zwischen allen Geräten (IED), aus welchen das System gebildet ist, ausgetauscht.

Genauer werden Daten zwischen (Teil-) Funktionen ausgetauscht, welche in den Geräten implementiert sind.

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Der kleinste Teil einer Funktion, welche Daten mit anderen Funktionen austauscht wird Logischer Knoten (Logical Node , LN) genannt. Die Logischen Knoten führen Teilfunktionen für die Gesamtfunktion aus und können einzeln oder zusammen in Geräten implementiert sein. In IEC 61850 sind die LN Klassen mit 4 Buchstaben gekennzeichnet

Das Objektmodell in der Schaltanlage Logische Knoten

Erder Q8_L1XSWI Gasdichte-Überwachung Q8_L1SIMG

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Trenner Q9_L1XSWI Gasdichte-Überwachung Q9_L1SIMG Leistungsschalter Q0_L1XCBR Gasdichte-Überwachung Q0_L1SIMG

See IEC 61850-5, 7-4

Primärtechnik

Feldsteuerung Q0CSWI Q8CSWI Q9CSWI Feld-MMK IHMI

SekundärTechnik

DistanzSchutz PDIS

Das Objektmodell mit Gruppen von LNs Die Logischen Knoten zusammengefasst nach Funktionsgruppen gekennzeichnet nach dem ersten Buchstaben : „ „ „ „ „ „

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„

L System LN (2) P Protection (28) R Protection related (10) C Control (5) G Generic (3) I Interfacing and archiving (4) A Automatic control (4)

Beispiele: „ DIF Differential „ P PDIF protection „ BRF Breaker failure „ R RBRF „ CBR Circuit breaker „ X XCBR

See IEC 61850-5, 7-4

„ „ „ „ „ „

M Metering and measurement (8) S Sensor and monitoring (4) X Switchgear (2) T Instrument transformers (2) Y Power transformers (4) Z Further power system equipment (15)

CSWI Switch controller „ MXU Measurement unit „ M MMXU „ PTR Power transformer „ Y YPTR „ „

Vom LN zur Objekthierarchie Bay Unit

Physical Device (IED) definiert als Server ↑ Implementierung Logical Device (LD)

Control

↑ Gruppierung Logical Node (LN) Daten ↓ Data (Object)

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Eigenschaft ↓

See IEC 61850-7-1,2,3,4

Attribute Wert

Switch Control CSWI Position Control Value Status Value ON/OFF

Beispiel für die LNs in einem Gerät Modellierung eines Feldgerätes für Schutz und Steuerung Feldgerät (Server) Common LLN0 LLN0 LLN0 LLN0

Control CSWI CSWI Pos Pos

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Protection PTOC PTOC Str Str

See IEC 61850-7-1,2,3,4

ctlVal ctlVal

stVal stVal

LLN0 LLN0 Op Op

Common Common LLN0 LLN0 Name Name plate plate Vendor Vendor etc. etc. Control Control Switch Switch Control Control Position Position Control Control Value Value Status Status Value Value Protection Protection Overcurrent Overcurrent Start/Pick-up Start/Pick-up Operate/Trip Operate/Trip

Was tun bei fehlenden Objekten (LN, Data, etc.)? Das Problem der Vollständigkeit „

Erweiterung nach standardisierten Regeln: Vorhandenes muss genutzt werden. „ Neues muss nach Vorgaben aufgebaut sein. „

„

Identifikation aller Erweiterungen durch “Name spaces”, die angeben wo kommt die Erweiterung herkommt , „ wo ist sie definiert ist. „

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„

Ergebnis in der Selbstbeschreibung der IEDs, d.h. erkennbar durch Auslesen der Direktories, „ Lesen der Gerätebeschreibung („ICD File“). „

Dienste (Services) Standardisierter Datenzugriff und Übertragung „ „ „ „ „ „ „

read a value / attribute write configuration attributes control a device (direct operate / select before operate) event oriented communication with reporting local storage of time-stamped events in a log get directory information file transfer for e.g. parameter and software download „ upload from monitoring information like travel curves or history of gas density values

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„

„

Transfer of generic object oriented system events (GOOSE)

„

Transfer of sampled analog values (SAV)

Die drei Dienst-Gruppen „ „

Datenzugriff Datenzugriff über über Client-Server Client-Server Verbindungen Verbindungen Merkmale Merkmale „ „ Punkt-Punkt-Verbindung, Punkt-Punkt-Verbindung, Aufträge Aufträge von von Client Client „ „ Anwendung Anwendung „ „ Befehle, Befehle, Abfragen, Abfragen, Reportkonfiguration Reportkonfiguration im im Server, Server, etc. etc. „ „

„ „

GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) Merkmale Merkmale „ „ Start Start durch durch Änderungen Änderungen (events), (events), Wiederholungen. Wiederholungen. „ „ Anwendung Anwendung „ „ Trip, Trip, Freigabe, Freigabe, Stellungsmeldungen, Stellungsmeldungen, etc. etc. „ „

„ „

SAV (Sampled Analog Values) Merkmale Merkmale „ „ Kontinuierlicher Kontinuierlicher Datenstrom Datenstrom „ „ Anwendung Anwendung „ „ Abtastwerte Abtastwerte

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„ „

Die Kommunikation Abbildung auf den Kommunikations-Stack t e i eb A) Modell (Objekte,Dienste) g s S ( ng ge u nd nla e w alta n AbtastClient - Server A ch GOOSE S Werte Kommunikation

Eindeutig pro Stack

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Abbildung (Mapping)

sn tio gie a ik olo n n u m ech m T o K

Abstract Communication Services Interface (ACSI)

Stack Interface

EchtzeitAnforderungen

MMS TCP IP

Ethernet Link Layer Ethernet Physical Layer with Priority tagging

Stack-Auswahl gemäss State-of-the-art KommunikationsTechnologie

Mainstream-Kommunikation mit Ethernet

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Komponenten vom Markt ! ƒ Beispiel: Switch Substation Automation proof Switches ? ƒ Anforderungen wie beim Schutz ƒ Optische Kanäle ƒ Kleiner Jitter ƒ Hohe MTTF ≥ 100 Jahre ƒ Temperaturbereich – 10 (40) … + 55 (85) C ƒ Speisung 36 … 312 V DC

Prozess-Schnittstelle und Merging Unit Schutzauslösung

LN PCTR LNPCTR PCTR LN LN PCTR LN XCBR LN XCBR

Logical Logical Device Device “Merging “Merging Unit” Unit” LN PCTR LNPCTR PCTR LN LN PCTR LN TVTR LN TVTR

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LN PCTR LNPCTR PCTR LN LN PCTR LN TCTR LN TCTR

Logical Logical Device Device “Breaker “Breaker IED” IED”

Aktuatoren Aktuatoren Sensoren Sensoren

Logical Logical Device Device “Breaker “Breaker IED” IED” LN PCTR LNPCTR PCTR LN LN PCTR LN XCBR LN XCBR

Bus nach IEC 61850

Abtastwerte U, I

LeitungsLeitungsSchutz Schutz z.B. z.B. PDIS PDIS

Prozessbus nach IEC 61850 Vorteile

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Keine Vielzahl an parallelen Kupferdrähte Wenige optische Kabel … … … Akzeptanz der lange schon existierenden ƒ nichtkonventionellen Sensoren (Wandler) ƒ nichtkonventionellen Aktuatoren (Antriebe)

Zeitsynchronisation „

1 ms für Ereignisse ist ok, keine Probleme ! „

„

1 … 25 µs für Abtastwerte und Zeiger ? „ „ „ „ „

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SNTP 1) im Standard ausgewählt

Externer Puls ? Anforderungen an die Switches (sehr kleiner Jitter) IEEE 1588 2) Ergänzung für Ethernet Keine Prozedur im Standard festgeschrieben Amendement benötigt

1) „Simple Network Time Protocol“ nach RFC 2030 aus der Internet Protocol Suite 2) IEEE 1588 „Standard for a Precision Clock Synchronization for Network Measurement and Control Systems“ (published Nov 2002)

… über die Schaltanlage hinaus „

Leitungsschutz „ Distanzschutz (PSCH) „ Differentialschutz (MDIF) „

„

Fernwirkverbindung „ Durchgängige Verbindung zum Netzleitzentrum „

Seamless communication ohne Protokollumsetzung

Machbarkeitsstudie vom IEC TC57 erstellt „ Als Ziel des IEC TC57 erklärt (AHWG 07) „ Aufgabe: Harmonisierung der Datenmodelle von IEC 61970 (CIM) und IEC 61850 (SCL) „

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ist schon im informativen Annex des Teiles IEC 61850-7-4 zu finden

Forderung in IEC61850 an das Engineering Um Interoperabilität zu erreichen, benötigt man eine formale, eindeutige Beschreibung des Stationautomatisierungssytems mit allen seinen Kommunikationsverbindungen, Kommunikationsverbindungen „ aller Funktionen eines Gerätes (IED), soweit es die ausgetauschten Daten (Datenmodell) und Schnittstellen betrifft, „ aller Dienste (services), welche von den Geräten unterstützt bzw.im Gesamtsystem benötigt werden, „ der Zuordnung der Daten und Komponenten des Stationsautomatisierungssystems zu der Schaltanlage (einpoliges Schema).

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„

See IEC 61850-6

Unterstützung in IEC61850 für das Engineering Die notwendige formale Beschreibung wird geliefert durch die im Standard definierte Substation Configuration description Language (SCL) „ SCL basiert auf XML „ SCL erlaubt unter anderem die Definition des IED Configuration Description (ICD) Files = Gerätebeschreibung „ System functional specification (SSD) Files – = Systemspezifikation „ System Configuration Description (SCD) Files – = Systembeschreibung © Copyright 2003 ABB ETH Kolloquium - 26 -

„

Diese formale Beschreibung ist zwischen Engineering-Tools austauschbar !

See IEC 61850-6

Der Engineering-Prozess Capabilities (LN, DO, …)

SCL inside

System Configurator

IED Configurator

Engineering Workplace

Associations, relationship to single line, preconfigured reports, ...

File transfer remote File transfer Local Substation gateway

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SA system

IED

IED

File transfers and parameterization with IEC61850 services

IED

Der SCL-Editor* und XML Hierarchischer Aufbau

SCL basierend auf XML** **) Gemäss IEC 61850

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*) nicht im Standard definiert

Für Menschen zur Projektierung

Für Maschinen, d.h Projektierungswerkzeuge

Der SCL-Editor und das einpolige Schema Hierarchischer Hierarchischer Aufbau* Aufbau*

Graphische Graphische Sicht* Sicht* (einpoliges (einpoliges Schema) Schema)

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*) *) Die Die Basis Basis (formale (formale Beschreibung) Beschreibung) sowohl sowohl für für den den Hierarchischen Aufbau als auch für die Graphische Hierarchischen Aufbau als auch für die Graphische Sicht Sicht ist ist der der XML-Code XML-Code der der SCL SCL

Der SCL-Editor und das IED mit LD, LNs, etc.

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Lo gi ca lD ev Lo ic gi e ca (L lN D) od e (L N

Hierarchischer Hierarchischer Aufbau* Aufbau*

Graphische Graphische Sicht* Sicht* (SA (SA System) System)

Attributes

*) *) Die Die Basis Basis (formale (formale Beschreibung) Beschreibung) sowohl sowohl für für den den Hierarchischen Hierarchischen Aufbau Aufbau als als auch auch für für die die Graphische Graphische Sicht Sicht ist ist der der XML-Code XML-Code der der SCL SCL Der Der Hierarchischen Hierarchischen Aufbau Aufbau entspricht entspricht dem dem Objekt-Modell Objekt-Modell

2001: GOOSE Demo - Trip and auto-reclosing Analog Inputs 1. Trip generated

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Autorecloser Function Relay

Relay

2

3. New Position

5. New Position

1

1

Protection Function

2. Trip generated

4. Reclose command

Test Equipment

3

5

XML File

4 Process Bus Ethernet

GOOSE Message: Position

Switchgear Simu. GOOSE Message: Trip GOOSE Message: Reclose

2002: Sampled Values Test (KEMA)

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Point-to-Point connection according IEC 61850 for samples SIEMENS

SIEMENS Power Metering

SIEMENS

Relays

Instrument Transformer

Merging units

Instrument Transformer

SIEMENS Power Metering

2003: GOOSE Test 100 Mbit/s redundant switched Ethernet ring

Selektive Interpretation der GOOSE Messages

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GOOSE messages KEMA UniCAIEC61850 GOOSE Simulator

Network Analyser

GOOSE: Generic Object Oriented Substation Event

KEMA UniCAIEC61850 Analyser

The Contents and Status of IEC 61850 System Aspects Part 1: Introduction and Overview Part 2: Glossary Part 3: General Requirements Part 4: System and Project Management Part 5: Comm Requirements for Functions and Device Models Configuration Part 6: Configuration Language for electrical Substation IED’s © Copyright 2003 ABB ETH Kolloquium - 34 -

Testing Part 10: Conform. Testing

State: Nov 2003

Data Models Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment Part 7-4: Compatible Logical Node Classes and Data Classes Part 7-3: Common Data Classes Abstract Comm. Services Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment Part 7-2: Abstract Communication Services (ACSI) Part 7-1: Principles and Models Mapping to real Comm. Networks (SCSM) Part 8-1: Mapping to MMS and ISO/IEC 8802-3 Part 9-1: Sampled Values over Serial Unidirectional Multidrop Point-to-Point link Part 9-2: Sampled Values over ISO/IEC 8802-3

CD → CDV

CDV →FDIS

IS / TR

From Vision to Reality Power Plant

Control Centre 1 Server

IEC 6 18

50

IEC 62210* 0

IEC 61850 CT VT

0 6185

Substation 1

Substation 1

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IEC

IEC

5 618

IEC 6140 0-25 IE C 62 05 6

IEC 61850 CT VT

Metering Billing

IEC 61850 *) IEC TR 62210 Power system control and associated communications - Data and communication security

Das Knowhow zum IEC 61850 Domäne Domäne SUBSTATION SUBSTATION mit mit Schutz, Schutz, Steuern, Steuern, etc. etc.

Standardisierung ist eine spannende und herausfordernde Tätigkeit !

IEC 61850

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Domäne Domäne MODELLIERUNG MODELLIERUNG mit mit Objektmodell, Objektmodell, etc. etc.

Domäne Domäne KOMMUNIKATION KOMMUNIKATION mit mit Protokollen, Protokollen, etc. etc.

ist interdisziplinär

IEC 61850 – ein komplexer Standard ?

Der Standard IEC 61850 umfasst mehr als 1000 Seiten ! „ Vielschichtige Objektstruktur „ Unabhängigkeit vom Stack © Copyright 2003 ABB ETH Kolloquium - 37 -

„

„

Ist der Standard komplex ?

Keine Komplexität für den Benutzer Bisherige Kommunikationsstandards

“Moderne” Standards wie IEC 61850 “MS “MS Office” Office”

Benutzer

ÄT

Benutzer Entwickler

Entwickler

“Assembler” “Assembler”

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Entwickler

KO MP LE XIT

KO MP LE XIT

ÄT

Benutzer

Nutzen des Standards „ „

Datenmodelle und Dienste „ „

liefern Syntax und Semantik

Engineering Support „ „

„ „

Kosteneinsparungen (siehe Zitat) „ „

„ „

durch Wegfall der Datenumsetzungen (Gateways, etc.)

Noch mehr Kosteneinsparungen „ „

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durch SCL

durch Erleichterung der Wartung durch SCL

„Der Kommunikationsstandard IEC 61850 hat das Potential, Millionen an Dollars sowohl bei den EVUs als auch bei den Herstellern einzusparen.“

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Ausblick

„

Neue Funktionen zur Sicherung einer stabilen Energieversorgung werden immer mehr verteilte, systembezogene Funktionen sein

„

Der Standard IEC 61850 unterstützt sehr wesentlich solche Funktionen, d.h. er macht sie mit vernünftigem Aufwand überhaupt erst möglich

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und Geduld !