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01 Energieübertragung und -verteilung: Ortsnetzstationen müssen hohe Anforderungen erfüllen

Ortsnetzstationen: Vom Betoncontainer zum intelligenten Knotenpunkt

02 Im Rahmen der Netzautomatisierung wandeln sich immer mehr Trafostationen zu intelligenten Knotenpunkten im Nieder- und Mittelspannungsbereich

03 Zur Messwert-Erfassung im Niederspannungsbereich wird die Inline-Leistungsmessklemme verwendet

04 Die Funktionsbaustein-Bibliothek Powerworx setzt auf das bewährte Fernwirk-System Resy+ auf

05 Durch die einfache Integration von Messgeräten zur Erfassung von Spannung, Strom und Kurzschlüssen sowie die sichere Übertragung bis in die Leitwarte werden die Netzzustände im Nieder- und Mittelspannungsnetz sichtbar gemacht

Die Stromnetze der Mittel- und Niederspannung sind einer zunehmenden Belastung ausgesetzt. Als wesentliches Element zwischen beiden Netzen müssen die Ortsnetzstationen daher ebenfalls höhere Anforderungen erfüllen. Komponenten und Systeme von Phoenix Contact unterstützen hier beim Aufbau einer wirtschaftlichen und zuverlässigen Lösung.

Aufgrund der stetig wachsenden Einspeisung aus volatilen Energiequellen steigen die alternierenden Energieflussrichtungen sowie Last- und Spannungsschwankungen kontinuierlich. Vor diesem Hintergrund müssen die Ortsnetzstationen (ONS) technisch optimiert werden, um eine stabile und verlässliche Energieversorgung (Bild 1) sicherzustellen. Bei der ONS handelt es sich um eine Umspannstation, die die aus dem Mittelspannungsnetz kommende elektrische Energie für das Niederspannungsnetz zur Verfügung stellt. Die Umspannung erfolgt mithilfe eines Transformators, der in jeder Ortsnetzstation verbaut ist. Während der anfänglichen Nutzung der ONS gestaltete sich die Energieverteilung eindimensional, also vom konventionellen Kraftwerk zum Konsumenten. Da die unzähligen über Deutschland verstreuten Stationen lediglich für ein Gleichgewicht zwischen Energieerzeuger und -verbraucher sorgen mussten, waren sie zwar robust ausgeführt, boten jedoch nur einen einfachen Schutz vor ungeplanten Störungen. Seit der Energiewende werden die Energieversorger und in der Folge auch die Ortsnetzstationen allerdings mit höheren Anforderungen konfrontiert. Denn die konstante Zunahme der erneuerbaren und dezentral erzeugten Energie resultiert in bidirektionalen Energie- und schwankenden Lastflüssen sowie einer Überschreitung der Spannungsgrenzen.

Automatisierungsgrad spielte untergeordnete Rolle
Derzeit sind viele Ortsnetzstationen durch einen unidirektionalen Energiefluss, radialen Systemaufbau in Form einer Baumstruktur, unzureichende Schutzeinrichtungen sowie fehlende Datenerfassung und Intelligenz gekennzeichnet. Dies, weil der Automationsgrad des gesamten Netzes – angefangen vom Kraftwerk bis zur ONS – bislang eine untergeordnete Rolle spielte. Seit 2004 haben die Entwicklung und der Ausbau der erneuerbare Energien, die fehlende Erweiterung des Stromnetzes sowie ausbleibende Neuinvestitionen in entsprechende Ausrüstung dazu geführt, dass die Ortsnetzstationen eine stabile Energieversorgung nicht mehr garantieren können. Die Zahlen verschiedener Studien unterstreichen die Notwendigkeit, hier tätig zu werden. So belegt die Dena-Studie II , dass bis 2015 respektive 2020 neue Höchstspannungsleitungen in einem Umfang von 850 km beziehungsweise 3.700 km notwendig sind. Eine zu niedrige oder zu hohe Spannung im Netz bedeutet, dass die angeschlossenen Geräte nicht richtig funktionieren oder sogar zerstört werden können. Der Netzbetreiber ist darüber hinaus für die Einhaltung der Merkmale der Spannungsqualität gemäß DIN EN 50160 verantwortlich. Dazu zählt insbesondere die Sicherstellung eines Spannungsbands von ±10 %. Ferner muss er Fehler schnell lokalisieren und somit Ausfallzeiten minimieren. Die aktuellen Rahmenbedingungen lassen sich zum Teil lediglich durch einen Netzausbau realisieren, der hohe Investitionskosten nach sich zieht. In jedem Fall erfordern die Ortsnetzstationen eine intelligente Lösung, um den beschriebenen Herausforderungen wie bidirektionale Energieflussrichtung, Lastflussänderung oder Spannungsbandverletzung zu begegnen.

06 Mit den Security Appliances der Produktfamilie „MGuard“ lassen sich die Messwerte sicher über das Internet übertragen

07 Die hochkommunikativen Inline-Kleinsteuerungen bieten sich zur Installation in den Ortsnetzstationen an

08 Geräte der Produktfamilie Empro nehmen die Messwerte auf und leiten sie über ein Kommunikationsmodul an die Steuerung weiter

Messwerte kontinuierlich auslesen und analysieren
Zur Umsetzung dieser Aufgabenstellung werden umfangreiche Schutzmaßnahmen mit Richtungserkennung sowie eine zukunftweisende Automatisierungs- und Kommunikationstechnologie benötigt. Das Erzeugungs- und Lastmanagement bedarf einer kontinuierlichen Überwachung sowie Weiterleitung der Messdaten und Zustandsinformationen aus den ONS an den Netzbetreiber. Nur so ist eine hohe Netzqualität sichergestellt. Außerdem lassen sich Überlast-Situationen kontrollieren und regeln sowie im Störungsfall Fehler schneller auffinden und damit Unterbrechungszeiten verkürzen. Im Rahmen der Netzautomatisierung wandeln sich immer mehr Trafostationen zu intelligenten Knotenpunkten im Nieder- und Mittelspannungsbereich. Die Nachrüstung vorhandener Stationen mit Messgeräten und Steuerungstechnik gestaltet sich jedoch für viele Energieversorger, Netzbetreiber, Systemintegratoren und Stadtwerksmitarbeiter schwierig (Bild 2). Als ein Lösungsbestandteil ermöglicht der Funktionsbaustein „Power Unit_11_02“ daher das Auslesen und Auswerten von Messwerten, Ereignissen, Ausgängen und Einstellungen der installierten Messgeräte direkt durch die Steuerung. Zur ganzheitlichen Überwachung des Netzes bieten sich Komponenten sowohl von Phoenix Contact als auch der Horstmann GmbH und der Kries-Energietechnik GmbH & Co. KG an. Grundsätzliche Aufgaben wie die gerichtete Lastflussmessung oder Fehlerortung und -freischaltung im Mittelspannungsbereich übernehmen die Messgeräte von Horstmann und Kries. Im Niederspannungsbereich kommt hingegen die Leistungsmessklemme IB IL PM 3P in Verbindung mit einer Inline- Steuerung zum Einsatz, um die Messwerte zu erfassen (Bild 3).

Datenübertragung über gängige Standards
Die Funktionsbaustein-Bibliothek Powerworx von Phoenix Contact setzt auf das bewährte Software-System Resy+ auf, das verschiedene Fernwirkbibliotheken zusammenfasst (Bild 4). Zur IP-basierten Kommunikation unterstützt Resy+ beispielsweise den weltweit akzeptierten Fernwirk-Standard IEC 60870-5-104 (RTU), über den die in der Ortsnetzstation ausgelesenen Messwerte und Ergebnisse an das Leitsystem übertragen werden. Gleiches gilt für die Ethernet- Protokolle Modbus TCP und ODP (Open Data Port). Im Bereich des seriellen Datenaustauschs arbeitet Resy+ mit dem Fernwirk-Protokoll IEC 60870-5-101 (RTU) sowie Modbus RTU, SEAB/1F und ODP. Powerworx und Resy+ erlauben somit die einfache und wirtschaftliche Umsetzung von Kommunikationsaufgaben (Bild 5). Mit dem Fernwirksystem lassen sich die ONS ereignisorientiert und kostengünstig kontrollieren, wobei die Daten via Ethernet, Standleitung, Wählverbindung, SMS, GSM, GPRS oder Funk weitergeleitet werden können. Zum Schutz der Anwendung vor unautorisierten Zugriffen stehen die Security Appliances der Produktfamilie „MGuard“ zur Verfügung (Bild 6).

Die industrietauglichen Geräte gestatten einen sicheren Datenaustausch über das Internet, indem VPN-Tunnel (Virtual Private Network) aufgebaut werden. Das umfangreiche Produktportfolio von Phoenix Contact umfasst zudem speicherprogrammierbare Steuerungen. Inline-Kleinsteuerungen der 100er-Leistungsklasse, die sich zur Installation in den Ortsnetzstationen eignen, unterstützen ebenfalls alle gängigen Kommunikationswege, wie Ethernet, Mobilfunk oder Festnetz. Darüber hinaus lassen sich die SPS einfach um die jeweils benötigten Standard- und Funktionsklemmen erweitern, sodass die vorhandene Sensorik und Messtechnik problemlos in das Netzwerk integriert werden kann. Mit dem in die Steuerungen eingebauten Webserver hat der Anwender die Möglichkeit, Messwerte und Ereignisse online zu überwachen sowie Parameter und Einstellungen aus der Ferne einzusehen und zu verändern (Bild 7).

Messkoffer unterstützt die Spezifizierung
Sollen die Schwerpunkte des betrieblichen Energieverbrauchs kostengünstig und schnell aufgezeigt werden, ist mit Emwise Mobile eine Messkofferlösung erhältlich. Diese beinhaltet Stromwandler und Rogowski-Spulen in unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen zur Erfassung der Energie gemäß DIN EN 50160. In Verbindung mit einem Messgerät können sämtliche Messwerte so via Modbus TCP/IP an eine Fernwirkeinheit übertragen und dort verarbeitet werden (Bild 8). Der Messkoffer lässt sich direkt in der auszuwertenden Anlage oder Einrichtung aufstellen und ohne Eingriff in die Verkabelung in Betrieb setzen. Die Lösung verfügt über verschiedene Messeingänge, wie Strom, Spannung, S 0 sowie M-Bus, über welche die erforderlichen Daten eingelesen und verarbeitet werden. Ihre Analyse und Umrechnung in aussagekräftige Werte erfolgt anschließend direkt im System. Alle Ergebnisse kann sich der Betreiber dann entweder vor Ort auf dem in den Koffer integrierten Display oder im Büro über ein Webportal anzeigen lassen. Die Auswertungen helfen ihm bei der Spezifizierung neuer Ortsnetzstationen sowie der Weiterentwicklung zusätzlicher Systeme und Schutzeinrichtungen. In puncto Schutz beschäftigt sich Phoenix Contact schon seit 30 Jahren mit dem Thema Überspannungen. Aufgrund des umfassenden Know-hows stehen innovative Lösungen für die Mess-, Steuer- und Regelungs- sowie Informationstechnik zur Verfügung, damit kurzzeitig auftretende Transienten die in den Ortsnetzstationen verbauten Komponenten nicht beschädigen oder zerstören können. (mh)

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Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Abilash Appanvel ist Mitarbeiter im Global Industry Management Energy des Geschäftsbereichs Industry Solutions der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. aappanvel@phoenixcontact.com