vPAC steht für Virtual Protection, Automation and Control. Gemeint sind die Schutz-, Automatisierungs- und Steuerungsfunktionen eines Umspannwerks, die als virtuelle Maschinen oder Container auf einem industrietauglichen Server laufen statt auf dedizierten Schutzgeräten. Voraussetzung ist ein digitales Umspannwerk nach IEC 61850.
Verwandte und synonym verwendete Begriffe: virtualisierter Schutz, virtuelles IED (vIED), virtuelles Schutzgerät, Software-defined Substation, Substation Computing.
Was sich gegenüber der konventionellen Architektur ändert
Die konventionelle Regel lautet: eine Funktion, ein Gerät. Der Distanzschutz ist ein Kasten. Das Feldleitgerät der nächste. Das Fernwirkgateway noch einer. Jedes dieser IEDs (Intelligent Electronic Devices) bringt eigene Hardware mit, einen eigenen Lebenszyklus und früher oder später ein eigenes Ersatzteilproblem.
Unangenehm wird es bei der Rechnung dahinter. Die Primärtechnik läuft 30 bis 40 Jahre, die Hardware der Sekundärtechnik vielleicht 12 bis 15. Über die Lebensdauer eines Umspannwerks heißt das: mehrere vollständige Erneuerungen, jede mit eigener Neuprojektierung und eigenem Prüfaufwand.
vPAC entkoppelt Funktion und Hardware. Die Schutzfunktion selbst ändert sich technisch nicht, sie läuft nur woanders – als Software, auf einem gemeinsam genutzten Server. Möglich macht das erst das digitale Umspannwerk nach IEC 61850: Merging Units digitalisieren Strom und Spannung draußen im Feld, Sampled Values und GOOSE laufen über den Prozessbus, und die Applikation braucht keine eigenen fest verdrahteten Klemmen mehr.
| Merkmal | Konventionelle Architektur | vPAC-Architektur |
| Ausführungsumgebung | ein dediziertes, oft multifunktionales Schutzgerät je Feld | virtuelle Maschine oder Container auf einem Server |
| Kopplung Software / Hardware | fest und dauerhaft | entkoppelt; jede Seite ist für sich austauschbar |
| Prozessschnittstelle | Kupferverdrahtung oder Prozessbus | Prozessbus nach IEC 61850 (Sampled Values, GOOSE) |
| Funktion ergänzen | Erweiterungsbaugruppe oder Zusatzgerät, dazu Verdrahtung und Platz im Schrank | eine Software-Instanz (VM oder Container), sofern Rechenreserve vorhanden ist |
| Hardware tauschen | die Applikation geht mit dem Gerät; Neuprojektierung folgt | Server tauschen, die Applikation bleibt |
Tabelle 1 — Konventionelle Schutz-, Automatisierungs- und Steuerungsarchitektur im Vergleich mit vPAC.
Der wirtschaftliche Kern von vPAC liegt damit in einem einzigen Punkt: Software und Hardware lassen sich unabhängig voneinander erneuern. Der eingesparte Platz im Schrank ist eine Zugabe, nicht das Argument.
Die Echtzeitanforderung: GOOSE und Sampled Values sind zwei verschiedene Probleme
An der Echtzeitfähigkeit entscheidet sich, ob vPAC trägt. Und genau hier werden regelmäßig zwei Datenströme in einen Topf geworfen, die sich völlig unterschiedlich verhalten.
GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) ist ereignisgetrieben. Es passiert etwas, eine Nachricht geht raus, sie kommt an. Die Kenngröße ist die Übertragungszeit von Ende zu Ende – durch den Protokollstack, den Hypervisor und den Switch. Die meiste Zeit passiert überhaupt nichts, und genau aus diesem Ruhezustand heraus muss das System sofort reagieren.
Sampled Values (SV) sind das Gegenteil: ein kontinuierlicher Strom mit fester Rate, der nie abreißt. Im Schutzprofil der IEC 61850-9-2LE – einer Implementierungsrichtlinie der UCA International Users Group, nicht einer eigenständigen IEC-Norm – veröffentlicht eine Merging Unit 80 Abtastwerte je Netzperiode. Bei 50 Hz sind das 4.000 Telegramme pro Sekunde, alle 250 Mikrosekunden eines. Neuere Anlagen folgen zunehmend der IEC 61869-9, die die Abtastraten normativ festlegt: 4.800 Hz und 14.400 Hz für 50-Hz-Netze, entsprechend 96 und 288 Abtastwerten je Periode. An der Größenordnung ändert das nichts. Mit mehreren Merging Units je Feld summiert sich das auf Zehntausende Pakete pro Sekunde, die ein einzelner Server verlustfrei und in der richtigen Reihenfolge verarbeiten muss.
Und hier liegt der eigentliche Unterschied: Bei Sampled Values ist die mittlere Latenz nicht die relevante Größe. Der Subscriber ordnet die eingehenden Abtastwerte über Sample Count und Zeitstempel und puffert sie, Netzwerk-Jitter wird also aufgefangen – bezahlt wird er aber aus dem Latenzbudget, und der Puffer hat eine endliche Tiefe. Was den Algorithmus tatsächlich zerlegt, sind Paketverluste und Umsortierungen jenseits des Pufferfensters. Ein Schutzalgorithmus, der auf einem lückenhaften Signal rechnet, ist wertlos – er rechnet weiter, nur eben falsch.
| Datenstrom | Wie er sich verhält | Worauf es ankommt | Warum das für einen Server schwierig ist |
| GOOSE | ereignisgetrieben, unregelmäßig | Übertragungszeit von Ende zu Ende | seltene Ereignisse müssen sofort durchkommen, ohne jede Vorwarnung |
| Sampled Values (Schutzprofil) | kontinuierlicher Strom, 80 Abtastwerte je Netzperiode, bei 50 Hz alle 250 µs einer | Jitter und Paketverlust | dieselbe Anforderung bei höherer Abtastrate; die Telegrammrate ist niedriger, weil jedes Telegramm mehrere ASDUs trägt |
| Sampled Values (Messprofil) | kontinuierlicher Strom, 256 Abtastwerte je Netzperiode | Jitter und Paketverlust | dieselbe Anforderung bei höherer Abtastrate; die Telegrammrate ist niedriger, weil jedes Telegramm mehrere ASDUs trägt |
| Zeitsynchronisation | kontinuierlich | Genauigkeit gegenüber der gemeinsamen Zeitreferenz, rund ±1 µs | ohne gemeinsame Zeitbasis lassen sich Abtastwerte verschiedener Merging Units nicht zusammenführen (IEC 61850-9-3, PTP-Profil der IEEE 1588) |
Tabelle 2 — Die vier zeitkritischen Datenströme eines digitalen Umspannwerks und was jeder von ihnen der Plattform abverlangt.
Welche Plattform vPAC voraussetzt
Ein gewöhnlicher Rechenzentrumsserver reicht dafür nicht. Die Plattform muss liefern:
- Hardware qualifiziert nach IEC 61850-3 und IEEE 1613, für Temperaturbereich, EMV-Festigkeit und Vibration im Umspannwerk
- Echtzeit-Kernel, CPU-Pinning und isolierte Kerne für die zeitkritischen virtuellen Maschinen
- Netzwerkkarten mit direktem PCIe-Passthrough und SR-IOV, mit bis in die virtuelle Maschine durchgereichter Hardware-Zeitstempelung (unter Umgehung des virtuellen Switchings im Hypervisor, für die latenzarme Verarbeitung der Sampled Values)
- Hochverfügbarkeitscluster mit automatischem Failover für die Funktionen, die einen Neustart vertragen: Feldsteuerung, Fernwirkgateway, HMI
- Redundante Schutzinstanzen, die parallel auf physisch getrennten Knoten laufen — ein Cluster-Failover dauert Sekunden und ist für eine Auslöseentscheidung um Größenordnungen zu langsam; die Schutzverfügbarkeit folgt deshalb derselben Logik aus Hauptschutz 1 / Hauptschutz 2 wie in einer konventionellen Anlage
- Netzwerkredundanz nach IEC 62439-3, PRP oder HSR, auf dem Prozessbus — Sampled-Value-Ströme kennen keinen Wiederholungsmechanismus, ein verlorenes Telegramm ist verloren, sofern nicht das Netz selbst eine zweite Kopie liefert
- Härtung nach IEC 62443 für die Systeme und IEC 62351 für die Kommunikation
Virtualisierung im Umspannwerk ist deshalb kein Konsolidierungsprojekt. Sie ist ein Echtzeit-Engineeringprojekt, das nebenbei Hardware spart.
Was vPAC nicht ist
vPAC ist kein Produkt und kein Hersteller
Es ist ein Architekturkonzept, und verschiedene Anbieter setzen es unterschiedlich um.
vPAC ist keine Norm
Keine Norm trägt den Namen „vPAC“. Normative Grundlage ist die IEC 61850, ergänzt um IEC 62443 und IEC 62351.
vPAC ist nicht dasselbe wie zentralisierter Schutz (Centralized Protection and Control, CPC)
Beim zentralisierten Schutz wandern viele Funktionen in ein einziges physisches Gerät, und der Informationsfluss zwischen ihnen wird geräteintern. Bei vPAC bleiben die Funktionen getrennte Instanzen, und ihre IEC-61850-Kommunikation bleibt auf dem Netz sichtbar — sie laufen lediglich auf gemeinsamer Hardware.
vPAC ist nicht identisch mit der vPAC Alliance
vPAC ist das technische Konzept. Die vPAC Alliance ist ein Industriekonsortium, das dafür eine Referenzarchitektur definiert.
Fakten auf einen Blick
- Bedeutung der Abkürzung: Virtual Protection, Automation and Control
- Normative Grundlage: IEC 61850, ergänzt um IEC 62443 und IEC 62351
- Umgebungsanforderungen an die Hardware: IEC 61850-3, IEEE 1613
- Zeitsynchronisation: PTP nach IEEE 1588 mit dem Power-Utility-Profil der IEC 61850-9-3, rund ±1 µs
- Sampled-Value-Rate: im Schutzprofil der IEC 61850-9-2LE bei 50 Hz alle 250 µs ein Telegramm; die IEC 61869-9 legt 4.800 Hz und 14.400 Hz normativ fest
- Wirtschaftlicher Treiber: Primärtechnik 30 bis 40 Jahre, Hardware der Sekundärtechnik 12 bis 15 Jahre
