Lektion 4 von 9

Telemetrie: Polling, Meldung bei Änderung & Totband

Ein Sensor in einem Umspannwerk kann eine Spannung viele Male pro Sekunde messen, aber die Verbindung zur Leitwarte trägt nur einen Bruchteil davon. Jeder gesendete Wert kostet Bandbreite und Energie, und jeder empfangene Wert kostet den Operator etwas Aufmerksamkeit. Ein großer Teil des Telemetrie-Entwurfs besteht deshalb darin zu entscheiden, welche Messwerte das Senden wert sind und wann. Klassische SCADA-Protokolle antworten darauf mit drei Ideen: Polling, Meldung bei Änderung und das Totband.

Polling: der Master fragt ab

Das Protokoll DNP3 nennt den Rechner der Leitstelle den Master und das Gerät im Feld die Outstation. Der Master führt eine eigene Kopie der Werte der Outstation, und der einfachste Weg, diese Kopie aktuell zu halten, ist zu fragen: Er sendet eine Anfrage, und die Outstation antwortet mit dem Inhalt ihrer Datenbank. Die DNP3-Einführung (Primer) nennt das Polling.

Polling ist einfach und vorhersagbar. Jeder Punkt wird in einem Takt aktualisiert, den der Master wählt, und eine ausbleibende Antwort ist selbst eine Information: Mit dem Gerät oder der Verbindung stimmt etwas nicht. Der Preis: Der Datenverkehr hängt davon ab, wie viele Punkte wie oft abgefragt werden, nicht davon, ob sich etwas geändert hat, und eine Änderung wird erst bei der nächsten Abfrage bemerkt.

Meldung bei Änderung: nur das, was sich geändert hat

Meistens ändern sich die meisten Messwerte nicht auf eine Weise, die zählt. Die Meldung bei Änderung (Report by Exception) nutzt das: Die Outstation vergleicht jeden Wert mit dem, was sie zuletzt gemeldet hat, und erzeugt nur dann ein Ereignis, wenn etwas passiert. Bei einem Leistungsschalter ist ein Ereignis ein Zustandswechsel. Bei einem Analogwert wie einer Spannung beschreibt der DNP3-Primer ein Ereignis als Änderung um mehr als das konfigurierte Totband des Punktes, und er nennt unter den Ereignisarten auch Werte, die eine Schwelle überschreiten. Der aktuelle Wert eines Punktes, im Gegensatz zu einer Änderung, heißt statische Daten.

Der Master verbringt dann die meiste Zeit damit, nach Ereignissen abzufragen, die kurz und oft leer sind, und fordert nur gelegentlich die statischen Daten an, als Integritätsmaßnahme. Laut Primer wird ein Master so schneller aktualisiert, weil sich zwischen den Abfragen nur wenige Ereignisse angesammelt haben und deshalb wenig Daten zurückkommen müssen.

Das Totband: wie groß muss eine Änderung sein, um gemeldet zu werden?

Ein Spannungswert schwankt allein durch Messrauschen ein wenig. Würde die Outstation jede Schwankung melden, wäre die Meldung bei Änderung nur Polling im Tarnanzug. Ein Totband δ legt die Schwelle fest: Der Sensor sendet einen neuen Wert nur, wenn er sich um mindestens δ von dem zuletzt gesendeten Wert entfernt hat. In der Forschungsliteratur heißt dieselbe Regel Send-on-Delta.

Die Regel hat eine saubere Eigenschaft. Auf einer Verbindung, die jede Nachricht sofort zustellt, liegt der in der Leitstelle gehaltene Wert bei jedem Abtastwert weniger als δ vom letzten Messwert des Sensors entfernt (vom Messwert, nicht von der wahren Spannung, denn das Rauschen bleibt enthalten). Sie kann auf zwei Arten schiefgehen. Ist δ kleiner als das Rauschen, meldet der Sensor sein eigenes Rauschen, und die Einsparung verschwindet. Ist δ groß, löst eine langsame Änderung, die kleiner als δ bleibt, nie eine Nachricht aus, egal wie lange sie dauert. Das Totband wird deshalb pro Punkt gesetzt, passend zur Größe des Signals und zum Rauschen darauf.

Wenn Schweigen mehrdeutig ist

Die Meldung bei Änderung hat einen blinden Fleck. Keine Nachricht kann bedeuten, dass sich nichts geändert hat, dass eine Nachricht verloren ging oder dass der Sensor ausgefallen ist, und die Leitwarte kann nicht unterscheiden, was davon zutrifft. Geht die eine Nachricht verloren, die einen Spannungseinbruch gemeldet hat, bleibt das Bild des Operators auf normal, bis etwas anderes passiert.

Das übliche Gegenmittel ist eine gelegentliche Prüfung des gesamten Bildes. In DNP3 fordert der Master hin und wieder die statischen Daten an, die Integritätsmaßnahme aus dem Primer (in der Praxis heißt sie Integrity Poll). Ein Sender kann das auch selbst tun: den aktuellen Wert wiederholen, sobald er eine feste Zeit lang still war. Diese Lektion und das Sense Lab nennen das einen Heartbeat. In beiden Fällen kostet es ein paar zusätzliche Nachrichten und begrenzt, wie lange die Leitwarte falsch liegen kann.

Unaufgeforderte Meldungen: nicht auf die Abfrage warten

Zwischen zwei Abfragen wartet eine Änderung einfach. Eine DNP3-Outstation kann stattdessen von sich aus eine Antwort senden, ohne gefragt worden zu sein, eine unaufgeforderte Meldung (Unsolicited Response). Nicht jede Outstation kann das. Sie eignet sich für Systeme, in denen der Master so früh wie möglich von einer Änderung erfahren muss, aber der Primer rät, dass solche spontanen Übertragungen im Allgemeinen selten sein sollten: Sonst entsteht zu viel Konkurrenz um das Medium, und die Zugriffssteuerung per Polling ist die bessere Wahl.

Polling

Der Master fordert in einem selbst gewählten Takt Werte von der Outstation an, egal ob sie sich geändert haben.

Statische Daten

Der aktuelle Wert eines Punktes, wie er zurückkommt, wenn der Master die gesamte Datenbank der Outstation abfragt.

Ereignis

Eine meldenswerte Änderung: ein Zustandswechsel oder ein Analogwert, der sich um mehr als sein Totband bewegt hat.

Totband (Send-on-Delta-Schwelle)

Wie weit sich ein Analogwert vom zuletzt gemeldeten Wert entfernen muss, bevor er erneut gemeldet wird.

Integritätsabfrage (Integrity Poll)

Eine gelegentliche Anforderung der statischen Daten aller Punkte, um zu prüfen, dass das Bild des Masters vollständig ist.

Heartbeat

Der aktuelle Wert, nach einer festen Ruhezeit erneut gesendet, damit Schweigen nicht unbegrenzt andauern kann.

Unaufgeforderte Meldung (Unsolicited Response)

Ein Bericht, den die Outstation aus eigener Initiative sendet, ohne auf eine Abfrage zu warten.

Welche Regel passt, hängt von der Aufgabe ab

Was der Empfänger mit den Daten tun muss, entscheidet, was sich zu senden lohnt. Eine Trendanzeige oder ein Zustandsschätzer braucht ein regelmäßiges Bild der Werte. Ein Alarm muss nur wissen, dass eine Grenze überschritten wurde. Eine Regel, die nur dann eine Nachricht sendet, wenn der Wert einen Pegel kreuzt, die Idee hinter dem Level-Crossing-Sampling, kommt mit sehr wenigen Nachrichten aus, lässt den Empfänger aber mit einem schlechten Bild des Signals dazwischen zurück. Ein Zeitgeber liefert ein regelmäßiges Bild, kann aber ein kurzes Ereignis verpassen, das zwischen zwei Abtastwerten liegt. Keine Regel ist allgemein besser: Ein fairer Vergleich legt die Zahl der Nachrichten und die Verbindung fest und schaut dann, was jede Regel den Empfänger wissen lässt.

Warum das über SCADA hinaus wichtig ist

Ein Smart Grid fügt viele weitere Messpunkte hinzu: Smart Meter, Phasor-Messgeräte (PMUs), Wechselrichter und andere DER-Regler, alle berichten über Netze mit begrenzter Kapazität. Sie treffen nicht alle dieselbe Wahl. Eine PMU sendet, wie die PMU-Lektion in diesem Track erklärt, zeitsynchronisierte Zeiger mit fester Meldefrequenz, ein bewusst gewähltes regelmäßiges Bild, während sich andere Punkte für die Meldung bei Änderung eignen. Die Anforderungen an Datenrate, Latenz und Zuverlässigkeit unterscheiden sich zwischen Smart-Grid-Anwendungen stark, deshalb gibt es keine einzelne Meldestrategie zum Kopieren. Es ist eine Entwurfsentscheidung, die pro Anwendung getroffen wird, mit den Kosten verlorener und verspäteter Nachrichten im Blick.