Leitsystem für Fernwärmenetz
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Bild 1. Wartenraum zur Wärmebetriebs-führung
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Bild 2. Fernwirktechnik-schrank mit mauell ME4012PA-C inkl. einem Teil der Prozess- Signalanschaltung
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Bild 3. Brandgeschotteter Wartenschrank
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Bild 4. Auf einer Großbildleinwand werden die Einsatzfahrpläne der Heizwerke optimiert dargestellt
Über das Berliner Fernwärmenetz wird die deutsche Hauptstadt mit Fernwärme und Fernkälte versorgt. Die Vattenfall Europe AG betreibt hier zehn Heizkraftwerke (HKW), sechs Heizwerke, acht BHKW und 232 dezentrale Heizhäuser. Die Betriebsführung der Fernwärme- und Fernkältenetze erfolgt von einer zentralen Heiz-Betriebswarte (ZHB) aus (Bild 1).
Im Rahmen der Erneuerung des sogenannten Fernwärme-Informations- und Steuerungs-Systems (FISS) wurden ein leistungsfähiges Leitsystem sowie eine flexible Fernwirktechnik erforderlich, um die Daten aus etwa 80 Fernwärme-Stationen zu erfassen, zu übertragen und zu verarbeiten. Zur Visualisierung der Wärmenetze sollten dazu drei Großbildrückprojektionwände in einem neuen Wartenbereich als Ersatz der bestehenden Mosaiktechnik realisiert werden.
Im Rahmen der FISS-Erneuerung sollte die bestehenden Informationsübertragung zwischen der zentralen Heiz-Betriebswarte und den dezentralen Prozessdatenerfassungseinheiten (PDE) auf ein digitales Kommunikationsnetz mit dem Standard-Netzwerkprotokoll IEC 60870-5-104 umgestellt werden. Nur noch wenige netzwerktechnisch derzeit nicht erreichbare Standorte kommunizieren über das serielle Standard-Protokoll IEC 60870-5-101 mit dem Leitsystem. Die Hauptaufgabe des zentralen Leitsystems besteht in der Verarbeitung der von der zentralen und dezentralen Fernwirktechnik erfassten Daten, in der Bereitstellung der Daten über eine geeignete Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und in der Ankopplung der Bürokommunikation sowie von IT-Fremd- Netzwerken, -Systemen und -Anwendungen. Das Projekt wurde unter der Leitung der Helmut Mauell GmbH in einer Konsortialpartnerschaft mit der BTC AG sowie der Aucoteam GmbH realisiert.
Fernwirktechnik-System
Das Automatisierungssystem ME 4012 PA von Helmut Mauell verfügt über verschiedene Ausbauformen vom Kleinfernwirksystem über Rack- und Feldgeräteaufbau bis hin zu Serversystemen. Der Einsatz der Kompakt-Gerätetechnik ME4012PA-C in den Fernwärmestationen ermöglicht die Befestigung auf Montageplatten in Wand- und Standschränken (Bild 2). Aufgrund der klimatischen Anforderungen in den Fernwärmestationen wurden die wartungsfreien und lüfterlosen Hardware- Komponenten des Systems eingesetzt. Sie arbeiten zuverlässig bei einer Umgebungstemperatur bis 55°C.
Jede Stationsverarbeitungseinheit (VE) sowie die Ein- und Ausgabe-Peripherieeinheiten (PE) einer PDE sind modular erweiterbar auf einem oder mehreren Modulträgern angeordnet. Ein Austausch der PE-Baugruppen unter Spannung ist ohne Neustart möglich. Optische LED-Anzeigen signalisieren die Betriebsbereitschaft der Komponenten sowie die Zustände der binären IO-Kanäle. Neben den seriellen- und Netzwerk-Kommunikationsschnittstellen der VE kann auch die USB-Schnittstelle im Rahmen von Vor-Ort-Arbeiten an der Stationstechnik zur Datenmodellaktivierung und zum Softwareupdate genutzt werden.
Die Messwerterfassung, die Vorverarbeitung und die Übertragung basiert auf dem kumulierenden Schwellwertverfahren, während die Meldungserfassung ereignisgesteuert erfolgt. Alle erfassten Daten werden mit Datum und Echtzeitstempel in ms-Auflösung übertragen bei zentraler Synchronisation aller Stationen. Im Zusammenspiel mit der Delta-Event-Archivierung des Leitsystems ist damit jederzeit eine detaillierte Störfallanalyse im Wärmenetz möglich. Zur sicheren Befehls- und Sollwert-Steuerung der Aggregate sind spezielle Baugruppen mit Ausgabebürdeprüfung im Einsatz. In Summe werden im gesamten Wärmenetz etwa 6 000 Meldungen, 4 000 Messwerte und 300 Zählwerte erfasst sowie 500 Befehle und 30 Sollwerte gesteuert.
Redundante Übertragung
Jede Verarbeitungseinheit kommuniziert sowohl physikalisch- als auch logisch-redundant über ein ringförmiges DSL-Transport-Netzwerk mit dem Leitsystem. Damit können Datenverluste durch Störungen, beispielsweise infolge von Baumaßnahmen im Stadtgebiet, vermieden werden. Zusätzlich werden die erfassten Daten im Ereignisspeicher jeder VE kommunikations- und spannungsausfallsicher gespeichert und zur nachträglichen Übertragung bereitgestellt.
Neben der Leitsystemkommunikation stehen in jeder Fernwirkstation 32 Ethernet-Kommunikationskanäle für den Datenaustausch mit anderen Stationen im Prozessnetz zur Verfügung. Hier werden Leitungsdruck-, Temperatur- und Zustandsinformationen zwischen den in das Wärmenetz einspeisenden Heizkraftwerken ausgetauscht. Grenzwertverletzungen innerhalb des Wärmenetzes können somit zur leitsystemunabhängigen Verriegelung von kritischen Schalthandlungen in Streckenschieberstationen (SFS) genutzt werden. In allen Stationen werden über eine Steuerebenen-Verriegelung (Ort-/Fernschalter) Fern-Schalthandlungen während Revisionsarbeiten in einer Station verhindert. In SFS- und HKW-Wärmestationstypen erfolgt die Prozessankopplung zur bestehenden Stationssteuerung über eine serielle RS-232-Schnittstelle oder die Profibus-Schnittstelle der Verarbeitungseinheit. Das Fernwirksystem überwacht alle Kommunikationswege sowie jede einzelne Ein/Ausgabebaugruppe. Warnungen und Störungen werden sofort an das Leitsystem gemeldet. Der Operator kann daraufhin die Störungsbehebung einleiten oder Zusatzinformationen aus den Wartungs- und Systemmeldearchiven der Station per Webbrowser abrufen. Zudem sind Informationen über den Betriebszustand der Hardwarebaugruppen, die Uhrzeitqualität sowie die Softwareversion verfügbar.
Kurze Installationszeit
Von 100 typisiert gelieferten Stationskonfigurationen wurden in 2010 bereits 74 montiert, geprüft und in Betrieb genommen. Dabei war stets auf die betriebsbedingten Anforderungen der Wärme- und Kältestationen innerhalb und außerhalb der Heizperiode zu achten. Die für den Betrieb wichtigsten Stationen wurden dabei bis zum Abschluss des Probebetriebs parallel aufgebaut. Das heißt, dass die Datenerfassung sowohl über das Altsystem als auch über das neu errichtete Leitsystem erfolgte. In allen anderen Stationen wurde in logistisch sinnvoller Abfolge zunächst die alte Technik demontiert und entsorgt. Im Anschluss an die elektrische Verkabelung und die Montage der neuen Stationstechnik war zunächst die Netzwerkanbindung der Station zu prüfen und herzustellen. Daraufhin konnte dann die Stationstechnik in Betrieb genommen und die Datenprüfung durchgeführt werden. Je nach PDE- Stationstyp war eine Station nach ca. zwei bis vier Tagen wieder betriebsbereit und zentral steuerbar.
Zur terminlichen Absicherung der anspruchsvollen Montage- und Inbetriebnahmeabläufe wurden die Datenmodelle jeder Station sowie der korrespondierenden zentralen Leittechnik im Werk geprüft.
Zentrale Heiz-Betriebswarte
Das Leitsystem Prins von BTC in der ZHB besteht aus den drei Ebenen: Fernwirkserver zur Prozessdatenerfassung, Onlinerechner zur Prozessdatenverarbeitung und Dialogrechner zur Bedienung des Leitsystems. Alle Rechner-Komponenten des zentralen Netzleitsystems sind redundant ausgeführt und in speziell brandgeschotteten Schränken bzw. Räumen installiert (Bild 3). Die Kommunikation der Komponenten untereinander erfolgt über ein Glasfaser-Ringnetzwerk und stellt damit eine reibungslose Kommunikation auch für den Fall sicher, dass der Ring an einer Stelle unterbrochen wird. Alle für den Betrieb des Systems erforderlichen Komponenten sind redundant gespeist und durch eine USV-Anlage sowie ein Notstromaggregat gesichert. Beim Aufbau der Netzwerkkopplungen zum Prozess, zur Bürokommunikation sowie zu Fremd-Netzwerken wurden durch die Installation verschiedener Firewallcluster neben den Sicherheitsanforderungen des BDEW Whitepaper auch die aktuellen Anforderungen der Vattenfall-Konzernrichtlinie umgesetzt.
Zwei der drei installierten Großbildsysteme visualisieren das gesamte Wärmenetz im Stadtgebiet Ost bzw. West und bieten damit dem Operator die Möglichkeit der Überwachung von Betriebswerten (Drücke, Volumenströme und Temperaturen) an ausgewählten Netzführungspunkten im gesamten Wärmenetz. Während den typischen Service- und Instandhaltungsarbeiten lassen sich die entsprechenden Netzabschnitte mit einer Markierung versehen. Neben den Betriebsführungswänden von Fernwärme- und Fernkältenetz wurde zudem eine Großbildwand für Einsatzoptimierung, Energiedispatching und Systemdienstleistungen installiert (Bild 4). Hier werden die Einsatzfahrpläne der Heizwerke in Abhängigkeit des Wärme- und Kältebedarfs sowie der Wetterprognosedaten erstellt und optimiert.
Alle eingesetzten Rückprojektionswände vom Typ ME Multiview basieren auf der DLP-Technologie (Digital Light Processing) und arbeiten mit SXGA+-Auflösung. Jede Videowand steuert ein spezieller Split-Controller-Rechner an, der eine individuelle Bildanordnung einer oder mehrerer Videoquellen ermöglicht. Auf Basis einer Sichtstudie konnten die ergonomischen Anforderungen der Operator bereits beim Aufbau der Videowände im Wartenraum berücksichtigt werden.
Während die Prozessteuerungen im Rahmen der Betriebsführung des Wärmenetzes über TFT-Monitore ausgeführt und in den Fernwirkstationen wirksam werden, erfolgen die Datenmodelleingabe und die Systemkonfiguration an separaten zentralen Systempflegeplätzen. Leitsystem und Fernwirktechnik greifen dabei auf eine gemeinsame Quelldatenbank zu, um eine einmalige zentrale Projektierung von Fernwirkadressen und Standard-Datentypen zu ermöglichen. Das zentral installierte Fernwirktechnik-Softwaretool ME-DRP bietet die durchgängige rechnergestützte Projektierung, Parametrierung und Diagnose der Stationstechnik von den zentralen Systempflegplätzen als auch vor Ort in den Wärmestationen.
Aufgrund der objektorientierten Struktur dieses Software-Werkzeugs ist es möglich sowohl generelle Systemanpassungen automatisch auf alle Stationsprojekte zu vererben als auch stationsspezifische Parameter dialogorientiert individuell anzupassen. Durch einen zentralen Datenbank- Auslagerungsvorgang können die Stationsprojekte für mobile Vor-Ort- Inbetriebnahme- oder Serviceeinsätze entnommen und gleichzeitig mit einem Sperrvermerk versehen werden. Das vermeidet Dateninkonsistenzen. Nach Abschluss des Vor-Ort-Einsatzes wird das aktuelle Stationsprojekt einfach wieder in die Datenbank eingelagert und der Sperrvermerk entfernt. Alle im Einsatz befindlichen Datenbanksysteme des Leitsystems sowie der Fernwirktechnik sind Nutzergruppenabhängig zugangsberechtigt und unterliegen einer zyklischen Datensicherung.
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Autor: Dipl.-Ing. Thomas Ehrhardt Projektleiter Netzleit- und Fernwirktechnik der Helmut Mauell GmbH
