Automatisierung und Digitalisierung in Umspannwerken und Versorgungsnetzen
In zukünftigen Energiesystemen werden erneuerbare, dezentrale Energieversorger auf allen Spannungsebenen eine wichtige Rolle spielen. Um die Versorgungssicherheit und den effizienten Betrieb zu gewährleisten, ist ein hoher Automatisierungsgrad erforderlich. Um das Netz zu stabilisieren oder auf schwankende Einspeisungen reagieren zu können, muss in 400-kV-Umspannwerken und Ortsnetzstationen/Umspannwerken deutlich mehr Rechenleistung integriert werden.
Grundvoraussetzung für einen hohen Automatisierungsgrad sind eine zukunftssichere IT-Architektur in allen Teilen des Stromnetzes und eine gemeinsame „Sprache“ für alle Komponenten des Stromnetzes. Dies wird, neben einigen weiteren Vorteilen, durch den Standard IEC 61850 erreicht. Er definiert unter anderem:
- Das Kommunikationsprotokoll und die herstellerübergreifende Interoperabilität
- Umgebungsbedingungen wie Temperatur, elektromagnetische Verträglichkeit und Vibration
- Vereinfachte und zukunftssichere Verkabelung von Komponenten in Umspannwerken
IEC 61850 Umspannwerkarchitektur
Eine Schaltanlage besteht aus verschiedenen intelligenten elektronischen Einheiten (IED) für Schalter, Transformatoren oder Messgeräte. Alle diese Geräte müssen miteinander kommunizieren können. Jedes einzelne kann zeitkritische Aktionen auslösen, wie beispielsweise das Trennen einer Lastverbindung. Die Norm IEC 61850 Die Normenreihe unterteilt diese Schaltanlagen in drei Ebenen und beschreibt das Kommunikationsprotokoll zwischen den Funktionen der Schaltanlage:
Die Prozessebene beinhaltet Geräte wie Leistungsschalter oder Datenerfassungsgeräte für Strom, Spannung und andere Parameter. Hier wird die elektrische Energie geschaltet.
Die Feldebene besteht aus den einzelnen IEDs. Sie verarbeiten die von der Prozessebene gelieferten Daten und treffen lokale Steuerungsentscheidungen. Außerdem übermitteln sie Daten zur weiteren Verarbeitung und Überwachung an das übergeordnete Steuerungs- und Datenerfassungssystem, das SCADA-System.
Die Stationsebene beinhaltet das SCADA-System sowie Bedien- und Beobachtungsgeräte (HMIs) zur Überwachung des Betriebs eines Umspannwerks. Zudem erfolgt von hier aus über verschiedene WAN-Technologien die Anbindung an das Netzleitsystem des Netzbetreibers.
Kommunikationsprotokolle zwischen den einzelnen Ebenen
Die einzelnen Elemente auf den verschiedenen Ebenen einer Schaltanlage haben unterschiedliche Kommunikationsanforderungen. Auf den unteren Ebenen, auf der Prozessebene, sind geringe Latenzzeiten wichtig für eine möglichst große Autonomie des Betriebs. Diese Anforderung ist bei der Kommunikation zwischen Feld- und Stationsebene nicht oder nur in abgeschwächter Form gegeben. Daher definiert die Norm IEC 61850 drei Kommunikationsformen:
MMS-Protokoll (Manufacturing Messaging Specification): Kommunikation zwischen SCADA und IEDs
Goose (Generic Object Oriented Substation Events): Horizontale, direkte Kommunikation zwischen den einzelnen IEDs
SMV (Sampled Measured Values): Vertikale Kommunikation zwischen den einzelnen IEDs
Vorteile des IEC 61850-Standards – Warum sollten Sie in eine IEC 61850-Umspannstation investieren?
Vereinfachte Architektur
Die einzelnen Komponenten einer Unterstation müssen nicht mehr über einzelne Kupferkabel verdrahtet werden, sondern sind stattdessen über ein Ethernet-Netzwerk miteinander verbunden.
Digitaler Zwilling eines Umspannwerks
Durch die Verwendung des IEC 61850 Standards ist es möglich, bereits während der Planungsphase Stationen anhand des Datenmodells zu testen. Dies vereinfacht die Planung und Inbetriebnahme eines solchen Netzwerkknotens.
Herstellerunabhängigkeit
Durch die gemeinsame Normenreihe wird die Interoperabilität zwischen Komponenten unterschiedlicher Hersteller sichergestellt.
Zukunftssicheres Design
Durch die Verwendung eines Ethernet-basierten Netzwerkes können bestehende Systeme problemlos an zukünftige Anforderungen angepasst werden.
Hohe Zuverlässigkeit
Durch die Definition der Umgebungsbedingungen in IEC 61850-3 können die Geräte für die rauen Umgebungsbedingungen in Umspannwerken optimiert und getestet werden. Der Einsatz von Redundanztechnologien wie HSR/PRP führt zu einer höheren Verfügbarkeit und damit zu einer größeren Netzzuverlässigkeit.
Direkte Kommunikation zwischen IEDs
Die Gans und SMV.
IEC 61850 Substation Computer – Anwendungen und Virtualisierung
Steuerungssysteme sind in der Regel auf der Bergstationsebene angesiedelt und erfüllen dort eine Vielzahl von Funktionen. Zunächst einmal das lokale SCADA ( Supervisory Kontrolle Und Daten Hier läuft ein Erfassungssystem, welches die Prozesse im Umspannwerk orchestriert und überwacht. Zusätzlich kann unterschiedliche Software zur Netzqualitätsanalyse (PQ-Analyse) oder anderen Protokollierungsfunktionen eingesetzt werden.
Um zu vermeiden, dass Fehlfunktionen eines Elements auf die anderen Komponenten übertragen werden, müssen die einzelnen Softwareelemente voneinander isoliert werden. Die physikalische Isolierung, also die Installation der einzelnen Softwarekomponenten auf eigenen Rechnern, ist die wartungsintensivste und kostenintensivste Variante. Die kostengünstigere Lösung besteht daher darin, die Anwendungen mittels Virtualisierung auf einem Rechner mit ausreichender Rechenleistung auszulagern und diesen Rechner redundant über HSR/PRP-Netze aufzustellen.
IEC 61850-3 für Leittechnik in Umspannwerken
Teil 3 (IEC 61850-3) der Normenreihe IEC 61850 enthält detaillierte Beschreibungen der Umgebungsbedingungen und der damit verbundenen Hardwareanforderungen in Umspannwerken. Die Einhaltung der Norm IEC 61850-3 ist daher für jede Form von Hardware in Umspannwerken zwingend erforderlich, um einen sicheren Betrieb der Komponenten zu gewährleisten. Die Kernelemente der definierten Umgebungsbedingungen sind:
- Schutz vor elektromagnetischen Störungen: Ungeschützte Geräte können schnell beschädigt oder zerstört werden.
- Schutz vor starken Temperaturschwankungen: In einem Umspannwerk kann es im Winter bis zu -40°C kalt werden. Im Sommer können Temperaturen von bis zu +75°C auftreten. Gerade Computer ohne aktive Kühlung müssen deshalb besonders auf das thermische Budget geachtet werden.
- Schutz vor Vibrationen: Die Hardware muss Erdbeben oder anderen Erschütterungen in der Umgebung standhalten.
Northbound-Kommunikation mittels IEC 60870-5-104 über 4G LTE
Der TK602L Industrieller 4G LTE-Router mit integrierter Modbus RTU und TCP nach IEC 104 Konvertierung kann für einfache Anwendungen in Ortsnetzstationen eingesetzt werden.
