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Intelligentes Verteilnetzmanagement für die Mittelspannung

Bild 1. Darstellung eines intelligenten Verteilnetzmanagements auf Basis des „iNES“-Konzepts (Quelle: SAG GmbH)

Bild 1. Darstellung eines intelligenten Verteilnetzmanagements auf Basis des „iNES“-Konzepts (Quelle: SAG GmbH)

Aufgrund der zunehmenden Dezentralisierung des Energiesystems haben sich viele Verteilnetze in Einsammelnetze gewandelt. So wurden in den letzten zehn Jahren in Deutschland mehr als 70 GW Erzeugungsleistung auf Basis erneuerbarer Energien installiert. Ein Großteil dieser dezentralen Erzeugungsanlagen ist an die Mittel- und Niederspannungsnetze angeschlossen worden, sodass insbesondere Verteilnetzbetreiber vor neuen Herausforderungen stehen. Automatisierungstechnik kann hier zur Netzstabilität beitragen.

Bild 2. In der Leitstelle werden mit der Software Visu+ System- und Netzzustände über ein Ampelsystem visualisiert

Bild 2. In der Leitstelle werden mit der Software Visu+ System- und Netzzustände über ein Ampelsystem visualisiert

Bild 3. Die Inline-Steuerung ILC 171 ETH 2TX lässt sich flexibel um die jeweils benötigten IO-Module erweitern

Bild 3. Die Inline-Steuerung ILC 171 ETH 2TX lässt sich flexibel um die jeweils benötigten IO-Module erweitern

Bild 4. Sebastian Gruttmann, Projektleiter bei der SAG GmbH in Oberhausen, hat das „iNES“-Konzept für das intelligente Verteilnetzmanagement mit erarbeitet (Quelle: SAG GmbH)

Bild 4. Sebastian Gruttmann, Projektleiter bei der SAG GmbH in Oberhausen, hat das „iNES“-Konzept für das intelligente Verteilnetzmanagement mit erarbeitet (Quelle: SAG GmbH)

Bild 5. Die Anbindung von „sBOX“, „mBOX“ und „aBOX“ an das Leitsystem wird mit SHDSL-Modems realisiert, die Distanzen bis 20 km überbrücken

Bild 5. Die Anbindung von „sBOX“, „mBOX“ und „aBOX“ an das Leitsystem wird mit SHDSL-Modems realisiert, die Distanzen bis 20 km überbrücken

Getrieben durch den rasanten technologischen Fortschritt und die Sektorkopplung (Power-to-Heat, Elektromobilität, Power-to-X) sowie den zukünftigen Einsatz von Speichern ändert sich die Nachfrage nach elektrischer Energie. Die Netzbetreiber stehen somit vor der ­Aufgabe, weiterhin für eine hohe Versorgungssicherheit zu sorgen. Gleichzeitig sollen sie vor dem Hintergrund der Anreizregulierung ständig Kosten optimieren sowie den Netzbetrieb effi­zient gestalten. Deshalb gilt es, große Investi­tionen in konventionelle Netzaus- und -umbaumaßnahmen zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.
In den vergangenen Jahren sind immer neue regenerative Erzeugungsanlagen erstellt worden, die ihre Energie dezentral in das Netz einspeisen. Hinzu kommen neue Lastenspeicher, E-Mobility sowie Wärmepumpen. Durch die Vielzahl der Akteure und deren volatiles Einspeise- respektive Bezugsverhalten erhöht sich der Koordinierungsaufwand für die Netzbetreiber. Daher hat die SAG GmbH das intelligente Verteilnetzmanagement „iNES“ entwickelt, mit dem sich ein bestehendes Ortsnetz um ein modulares, dezentrales sowie autarkes Mess- und Regelsystem erweitern lässt. So kann der Betreiber sämtliche Einspeise- und Lastflusssituationen in Echtzeit kontrollieren und bei Bedarf kritische Abweichungen gezielt ­beheben. Als Weiterentwicklung des „iNES“-Niederspannungskonzepts (NS), das seit 2013 am Markt erhältlich ist, steht die Lösung jetzt auch für die Mittelspannung (MS) zur Verfügung. Analog zum Niederspannungssystem setzt sich das Mittelspannungskonzept aus den Hardware-Komponenten „sBOX MS“ (Steuerung), „mBOX MS“ (Messung) und „aBOX MS“ (Aktorik) zusammen (Bild 1).

Selbstständiges Eingreifen bei Engpasssituationen
Die Regeloptionen von „iNES MS“ umfassen unter anderem eine optimierte Spannungsregelung, indem der Hoch-/Mittelspannungs-Transformator und Spannungslängsregler angesteuert werden. Darüber hinaus lassen sich die Blind- und Wirkleistung einzelner Erzeugungs-, Speicher- und Verbrauchseinheiten selektiv steuern. Ferner kann der Betreiber die mit „iNES NS“ ausgestatteten Niederspannungsnetze als Aktoren in das „iNES“-Mittelspannungssystem einbinden. Treten auf der Mittelspannungsebene kritische Situationen auf, werden die NS-Ortsnetze zur Pro­blemlösung in die Regelstrategie inte­griert.
Das „iNES MS“-System bildet die technologische Grundlage für die operative Umsetzung der Spitzenkappung. In Übereinstimmung mit den gesetzlichen Vorgaben, welche sich aus der Novellierung des Energiewirtschaftsgesetzes zum Einspeisemanagement ergeben, greift das System selbstständig ein, wenn Engpasssituationen detektiert werden. In diesem Fall wird die Anlage mit der höchsten Sensitivität angesteuert, die auf den jeweiligen Fall abgestimmt ist. Sobald das System feststellt, dass der Netzeingriff nicht länger benötigt wird, beendet es diesen automatisch.

Übersichtliche Visualisierung des System- und Netzzustands
Das dezentrale autarke Systemkonzept von „iNES MS“ entlastet die Netzbetriebsführung und Leitsysteme, da das Netz automatisiert überwacht und ausgeregelt wird. In der Leitstelle zeigt ein Ampelsystem lediglich die erforderlichen Funktionen in Echtzeit sowie den System- und Netzzustand an (Bild 2). Nur die für den Leitstellenbetrieb unabdingbar notwendigen Daten lassen sich bei Bedarf in Echtzeit bereitstellen. Daneben werden die Messdaten und Regeleingriffe automatisch dokumentiert und archiviert. Bei der Auswahl einer geeigneten Visualisierungslösung hat sich SAG für die Software Visu+ von Phoenix Contact entschieden. Neben Standardfunk­tionen wie dem Trend- und Alarmmanagement bietet ­Visu+ umfangreiche Funktionalitäten für die Alarmverteilung und ein Daten-Logging mit Anbindung an externe Datenbanken. Das integrierte Benutzermanagement erlaubt einen auf den Anwender angepassten individu­ellen Zugriffsschutz. Die konsequente Nutzung stan­dardisierter Protokolle und Schnittstellen ermöglicht es, bereits vorhandene sowie zukünftig in „iNES MS“ einzufügende Sensoren, Komponenten und Systeme hersteller­unabhängig direkt in die Software Visu+ einzubinden.

Flexible Erweiterung um neue IO-Module
Die von der „sBOX“ berechneten Regeleingriffe werden in die Auswahl und Ansteuerung der „aBOXen“ des „iNES“-Systems einbezogen. Der Regelalgorithmus arbeitet eng mit der Netzzustandserkennung zusammen. Im Fall eines erkannten Engpasses ermittelt der „iNES“-Netzregler den Aktor, mit welchem die aktuell anliegende Grenzwertverletzung technisch und ökonomisch am sinnvollsten behoben werden kann. Hinsichtlich der Steuerungstechnik hat sich SAG unter anderem auch für eine SPS von Phoenix Contact entschieden. In der „aBOX“ ist ein Inline­-Controller vom Typ ILC 171 ETH 2TX verbaut (Bild 3). Je nach Bedarf kann der Anwender die Kleinsteuerung der 100er-Leistungsklasse flexibel um die benötigten digitalen sowie analogen Ein- und Ausgänge in Schutzart IP20 erweitern, die ebenso Bestandteil des IO-Systems Inline sind. Die aktuellen Messwerte werden von einer Inline-Leistungsmessklemme zur Verfügung gestellt, die sich aufgrund ihrer vier Eingänge zur Direktmessung von AC 1 A bis DC 5 A für Phasen- und Neutral­leiterströme anbietet.
Die Übertragung der Steuerbefehle und Messdaten zwischen der „sBOX“, der „mBOX“ und der „aBOX“ erfolgt durchgängig über das Ethernet-basierte Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-104. Mit dem Fernwirkbaukasten Resy+ von Phoenix Contact lassen sich schnell auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmte SPS-Applika­tionen erstellen. Basierend auf der zyklischen und event-orientierten Kommunikation werden aktuelle Ereignisse aktiv weitergeleitet. Eine historische Datenspeicherung sorgt für die Protokollierung der Daten mit Zeitstempel.

Sicherer Zugriff auf dezentrale Anlagen
Die einzelnen Mess- und Aktorikstandorte sowie die serverseitigen Komponenten liegen meist räumlich weit voneinander entfernt, sodass im Servicefall ein längerer Zeitraum für die An- und Abfahrt des Wartungspersonals eingeplant werden muss. Sebastian Gruttmann, als Projektleiter bei SAG für das „iNES MS“-Projekt verantwortlich, ist es daher wichtig, auf „iNES“-Anlagen ebenfalls aus der Ferne zugreifen und sie administrieren zu können (Bild 4). Auf diese Weise bleiben die Kosten während der Inbetriebnahme und späteren Wartung kalkulier- und überschaubar. Deshalb setzt SAG die Security Appliances „FL mGuard RS VPN“ aus der Produktfamilie Factoryline von Phoenix Contact ein. Über VPN-Tunnel (Virtual Private Network), die gemäß dem IPsec-Standard verschlüsselt sind, lässt sich eine direkte Verbindung zur gewünschten Anlage aufbauen. Für die gesicherte und dezentrale Feldkommunikation zwischen „sBOX“, „mBOX“ und „aBOX“ werden Modems vom Typ PSI-Modem SHDSL/ETH verwendet (Bild 5). Sie sind für industrielle Ethernet-Netzwerke optimiert und übertragen sensible Daten zugriffssicher an die „sBOX“.

Einsparpotenzial von 46 %
Als kleiner Netzbetreiber setzt die nahe des Münchener Flughafens ansässige E-Werk Schweiger oHG die Digitalisierung der Energienetze schon heute durch die Nutzung eines aktiven Verteilnetzmanagements um. Wie bei vielen Netzbetreibern hat sich der mit der Energiewende einhergehende Zubau von dezentral einspeisenden regenerativen Energieerzeugern auch in ihrem Netzgebiet nicht als folgenlos erwiesen. Die sukzessiv installierten Anlagen vor allem aus dem volatilen Bereich Photovoltaik führen das Verteilnetz zum Teil an seine Belastungsgrenzen. Durch den Einsatz von Netzautomatisierung in Verbindung mit einer intelligenten Netzplanung hat das E-Werk Schweiger hier ein erhebliches Einsparpotenzial in Höhe von 46 % gegenüber einem rein konventionellen Netzausbau errechnet. Dabei stellen dezentrale Wasser- und Biomassekraftwerke durch intelligente Einbindung in die Verteilernetze eine effiziente Option für Netzstabilisierungsmaßnahmen dar. Zu diesem Zweck verwendet der Netzbetreiber das intelligente Verteilnetzmanagement. Einen Schwerpunkt bildet der Ausbau des Mittelspannungsnetzes mit dem „iNES MS“-System, das im Oktober 2016 eingeweiht worden ist.

Einfache Integration zukünftiger Geräte
Nicht alle Netzaus- und -umbaumaßnahmen lassen sich durch ein intelligentes dezentrales Management der Netzkapazitäten vermeiden. In zahlreichen Fällen zeigt sich die Kombination aus Investitionen in intelligente Systeme sowie in konventionelle Kupferlösungen als technisch und wirtschaftlich sinnvoller Lösungsansatz. Durch Nutzung der Komponenten und Systeme von Phoenix Contact hat SAG im „iNES“-Konzept sowohl bei der Datensicherheit als auch bei der Verfügbarkeit der Systeme sämtliche Anforderungen umfassend auf Basis von innovativen Lösungen realisiert. Aufgrund des konsequenten Einsatzes standardisierter Protokolle und Schnittstellen können vorhandene und zukünftig zu integrierende Sensoren, Komponenten und Systeme einfach in das System eingebunden werden. „iNES“ verhindert sicher Betriebsmittelüberlastungen, Verletzungen des Spannungsbandes und fängt große Lastschwankungen sowie Erzeugungsspitzen ab. Investitionen in einen konventionellen und non-smarten Netzausbau sind nicht oder erst in Zukunft in vergleichsweise geringem Umfang erforderlich. (hz)

Durchgängiges Fernwirken

Die Softwarelösung Resy+ von Phoenix Contact ermöglicht ein durchgängiges Fernwirken, wobei die Daten sowohl über Ethernet als auch via Standleitung, Wählverbindung, SMS, GSM, GPRS oder Funk übertragen werden können. Als Basis der Fernwirklösung fungieren modulare Inline-Steuerungen in verschiedenen Leistungsklassen, die sich flexibel um die jeweils erforderlichen Standard- und Funktionsklemmen erweitern lassen. Anschließbar sind maximal 8 192 lokale IO-Punkte.
Wie sämtliche Steuerungen von Phoenix Contact werden die Inline-Con­troller mit der Software PC Worx gemäß IEC 61131-3 programmiert. Wichtiger Bestandteil des Tools ist eine Funktionsbausteinbibliothek für die Konfiguration der Fernwirkverbindung. Zur Parametrierung der Fernwirktechnik und Programmierung der Steuerungsfunktion benötigt der Anwender somit nur eine Software. Diese unterstützt eine Vielzahl von Protokollen wie die Fernwirkstandards IEC 60870-5-101 und 60870-5-104, Modbus TCP/RTU und ODP (Open Data Protocol), sodass die Steuerung mit fast allen modernen Leitsystemen kommunizieren kann.

Frank Horstmann B. Sc. ist Mitarbeiter im Global Industry Management Infrastructure bei der Phoenix Contact Deutschland GmbH in Blomberg. fhorstmann@phoenixcontact.com

Frank Horstmann B. Sc. ist Mitarbeiter im Global Industry Management Infrastructure bei der Phoenix Contact Deutschland GmbH in Blomberg. fhorstmann@phoenixcontact.com