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Effizienzsteigerung durch zentrale Leitwarte

Bild 1. Kerngeschäft von Vattenfall Europe ist der Braunkohlenbergbau. Hier: Luftbildaufnahme von der Förderbrücke F60 am Industriestandort Schwarze Pumpe

Bild 2. Die von Vattenfall gewählte Lösung für die zentrale Netzleitstelle basiert auf dem Leitsystem Spectrum Power CC von Siemens mit dem standardisierten Übertragungsprotokoll ICCP und einem standardisierten Datenmodell auf Basis von CIM

Bild 3. Ein weiteres entscheidendes Element der Lösung ist das hierarchisch strukturierte Datenmodell auf Basis des Common Information Model

Bild 4. Auf Basis der klaren Struktur lässt sich das gesamte Datenmodell der zentralen Leitwarte aus den einzelnen Modulen der dezentralen Leitwarten sowie aus der automatisch erzeugten ICCP-Konfiguration zusammensetzen

Die Vattenfall Europe AG betreibt in ihrem Kerngeschäft verschiedene Braunkohlenbergbaue. Dabei wird die Stromversorgung der einzelnen Standorte über dezentrale Netzleitstellen überwacht und gegebenenfalls von dort aus in den Prozess eingegriffen. Aus Effizienzgründen entschied sich das Unternehmen, eine zentrale Leitstelle für die Stromversorgung einzurichten, in der alle Daten zusammenfließen. Basis bildet hierbei das Leitsystem von Siemens. Im April dieses Jahres wurde die neue Leitstelle erfolgreich in Betrieb genommen.

Die Vattenfall Europe AG ist der in Deutschland tätige Teil der Vattenfall-Gruppe und gehört deutschlandweit zu den drei größten Energieversorgern. Zu ihrem Kerngeschäft zählen der Braunkohlenbergbau, die Erzeugung und Lieferung von elektrischer Energie sowie die Wärmeerzeugung. Im Kerngeschäftsfeld Braunkohlenbergbau betreibt Vattenfall die Tagebaue Jänschwalde/Cottbus-Nord, Welzow-Süd und Nochten/Reichwalde. Am Industriestandort Schwarze Pumpe findet die Veredelung der Braunkohle zu Briketts statt (Bild 1). Dort ist zudem eines der modernsten Braunkohlenkraftwerke der Welt angesiedelt.
Eine gesicherte und kostengünstige Versorgung mit elektrischer Energie ist ein wichtiger Erfolgsfaktor für die effektive Braunkohlengewinnung und -verarbeitung. Diese wird durch vier dezentrale Netzleitstellen für die fünf Tagebaue und den Industriestandort Schwarze Pumpe sichergestellt. Insgesamt werden hierüber sechs 110-kV-Umspannwerke, ca. 80 Mittelspannungsverteilstationen und ein Gesamtleitungsnetz von rund 600 km Länge betrieben. Über eine zentrale Netzleitstelle sollten die dezentralen Leitstellen nun miteinander verbunden werden.

Vorteile einer zentralen Leitstelle
Für Vattenfall waren vor allem zwei Gründe ausschlaggebend, sich für die Einrichtung einer zentralen Netzleitstelle zu entscheiden. So lässt sich dadurch zum einen eine hohe Effizienzsteigerung beim Betrieb der elektrischen Energieversorgung für die fünf Tagebaue und den Industriestandort erreichen. Dabei wird der Betrieb vollständig von der Zentrale aus geführt. Die dezentralen Leitwarten können somit stets als Rückfallebene benutzt werden, um zum Beispiel Arbeitsspitzen abzudecken, bestimmte Arbeiten effektiver lokal durchzuführen oder im Fall einer Störung, etwa in der Kommunikationsverbindung zur Zentrale. Der zweite Grund pro zentraler Leitwarte liegt in der erhöhten Transparenz über alle Standorte hinweg. So haben die Bediener in der zentralen Leitwarte stets einen Überblick über die Energieversorgung an allen Standorten und halten so bei allen Aktionen die Gesamtsituation im Blick. Die zentrale Erfassung und Aufbereitung der energierelevanten Daten stellt zudem die Basis für eine konsistente, verursachergerechte Energiekostenrechnung dar. Ein gemeinsames Archiv erlaubt die Analyse vorangegangener Ereignisse, wie Störfälle, über alle Standorte hinweg.

Das Anforderungsprofil
Im Vorfeld der Projektumsetzung definierte Vattenfall einige elementare funktionale Anforderungen an die zentrale Leitwarte. Ganz zu oberst stand die Forderung, dass die zentrale Leitwarte nach der Realisierung eine wartbare, zukunftssichere Lösung darstellt, die auf Industriestandards basiert. Weitere Aspekte sind:
• Eine Bedienung soll sowohl in der zentralen Leitwarte als auch in den dezentralen Leitwarten möglich sein. Hierfür kann für jede dezentrale Leitwarte kontrolliert die Schalthoheit umgeschaltet werden.
• Unabhängig von der Schalthoheit soll sowohl in der Netzleitstelle als auch in den dezentralen Netzbefehlsstellen stets ein aktuelles Abbild des gegenwärtigen Status vorliegen.
• Die Anbindung der Fernwirktechnik soll allein über die dezentralen Leitwarten erfolgen. Dabei verfügt die zentrale Leitwarte nicht über eine eigene Verbindung zur Fernwirktechnik, sondern erhält ihre Informationen einzig über die dezentralen Leitwarten.
• Die zentrale Leitware soll über ein vollständiges Datenmodell verfügen, das die Anlagenbilder und Netzdaten aller dezentralen Leitwarten beinhaltet. Auf diese Weise kann von der zentralen Leitwarte aus der Betrieb komplett übernommen werden.

Die Lösung
Auf Basis dieser Anforderungen wurde bei Vattenfall eine Lösung mit dem Leitsystem Spectrum Power CC von Siemens realisiert. Dieses setzt auf dem Inter-Control Center Communications Protocol (ICCP) nach DIN EN 60870-6, TASE.2 und einem standardisierten Datenmodell auf Basis des Common Information Model (CIM) nach DIN EN 61970-301 auf (Bild 2).
Die Übertragung von Werten und Befehlen zwischen der zentralen und den dezentralen Leitwarten erfolgt über ICCP. Je nachdem, welche Leitwarte die Schalthoheit hat, kann sich dabei die Richtung der Übertragung umkehren. Wie gefordert, verfügt die zentrale Leitwarte über ein vollständiges Datenmodell, das die Netzdaten aller dezentralen Leitstellen enthält und auch die zugehörigen Netzbilder, um so einen vollständigen zentralen Betrieb zu ermöglichen.

Schalthoheit und ICCP-Kommunikation
ICCP oder TASE.2 ist ein von der IEC normiertes Protokoll, das den Austausch von Messwerten und Befehlen zwischen Leitstellen erlaubt. Es kann damit als Basis für die Kommunikation zwischen der zentralen und den dezentralen Leitstellen verwendet werden. Die Schalthoheiten zwischen der zentralen Leitwarte und den dezentralen Leitwarten können wechseln. Diese Funktionalität ist über ICCP folgendermaßen abgebildet:
Die Information, ob eine bestimmte dezentrale Leitstelle die Schalthoheit hat, wird als Messwert abgebildet, der auch über ICCP übertragen wird. Über entsprechende Verriegelungsbedingungen, die mit diesem Messwert verknüpft sind, kann so verhindert werden, dass in der dezentralen Leitwarte Befehle ausgesendet werden, wenn die Schalthoheit bei der zentralen Leitwarte liegt und umgekehrt.

Bei ferngemeldeten Messwerten wird die ICCP-Block-2-Funktionalität zur Übertragung der Messwerte von der dezentralen Leitwarte als ICCP-Server zur zentralen Leitwarte als ICCP-Client verwendet.
Bei ferngemeldeten und ferngesteuerten Messwerten wird zusätzlich über die ICCP-Block-5-Funktionalität der Befehl von der zentralen Leitware als ICCP-Client zur dezentralen Leitwarte als ICCP-Server übertragen. Die beschriebene Verriegelungsbedingung verhindert, dass von der zentralen Leitwarte Befehle ausgesendet werden können, wenn die dezentrale Leitwarte die Schalthoheit hat.
Diese Schalthoheit ist auch bei nicht-ferngemeldeten Messwerten gewährleistet: In diesem Fall soll nämlich der nachgeführte Messwert von der zentralen zur dezentralen Leitstelle übertragen werden, falls die Schalthoheit bei der zentralen Leitstelle liegt. Auch dies lässt sich mithilfe von ICCP über umschaltbare Transfergruppen lösen: Je nach Schalthoheit ist damit für ein- und denselben Messwert entweder die zentrale Leitstelle oder die dezentrale Leitstelle der ICCP-Server.
Damit lässt sich das gewünschte Verhalten bezüglich Schalthoheit und der Übertragung von Daten und Befehlen über ICCP lösen.

Automatische Generierung der ICCP-Konfiguration
Im Fall der zentralen Leitstelle bei Vattenfall Europe Mining werden insgesamt 80 000 Datenpunkte über ICCP ausgetauscht. Eine manuelle ICCP-Konfiguration wäre aufwendig und fehleranfällig und ließe sich nur schwer warten. Daher wird die ICCP-Konfiguration automatisch aus den Scada-Konfigurationsdaten der Leitstellen generiert. Die Scada-Konfiguration enthält alle Datenpunkte sowie die Information für jeden Datenpunkt, ob dieser ferngemeldet oder ferngesteuert ist. Auf Basis dieser Information lässt sich die korrekte ICCP-Konfiguration für den entsprechenden Datenpunkt ermitteln. Zusätzlich wird anhand einer Heuristik und vom Benutzer definierbarer Regeln aus der technologischen Adresse des Scada-Datenpunkts ein eindeutiger, „sprechender“ achtstelliger ICCP-Datenpunkt-Name generiert. Das Ergebnis ist eine vollständige ICCP-Konfiguration sowohl für die zentrale als auch für die dezentrale Leitstelle.
Auf diese Art wird sichergestellt, dass die ICCP-Konfiguration in jedem Fall so funktioniert, wie es für das beschriebene Szenario gefordert ist.

Zentrales und dezentrales Datenmodell auf Basis von CIM
Ein weiteres entscheidendes Element der Lösung ist ein hierarchisch strukturiertes Datenmodell auf Basis des Common Information Model (CIM). Wesentliche Eigenschaft dieses Datenmodells ist eine klare Strukturierung (Bild 3).
Die Basis bildet ein abstraktes Modell der Netzdaten, das eine vollständige Beschreibung des Netzes mit allen Anlagenbestandsteilen, wie Transformatoren und Schalter, deren topologische Verknüpfung sowie eine Beschreibung der Messwerte liefert. In einem getrennten Modell werden die Schnittstellendaten beschrieben. Dieses Modell beschreibt alle Datenpunkte und Befehle mit den entsprechenden Parametern für das jeweilige Protokoll, zum Beispiel nach IEC 60870-5-104 oder ICCP. Die Schnittstellendaten verweisen dabei auf die abstrakten Messwerte des Netzdatenmodells. Die Anlagenbilder, die die Darstellung und Bedienung des Netzes festlegen, werden in einem dritten Modell beschrieben, das wiederum auf die entsprechenden Objekte des Netzdatenmodells verweist.
Mithilfe dieser klaren Struktur lässt sich nun das gesamte Datenmodell der zentralen Leitwarte einfach aus den einzelnen Modulen der dezentralen Leitwarten sowie aus der automatisch erzeugten ICCP-Konfiguration zusammensetzen (Bild 4).
Durch die modulare Struktur des Datenmodells und die automatische Generierung der ICCP-Konfiguration entsteht so ein konsistentes, fehlerfreies und vor allem wartbares Datenmodell für die zentrale Netzleitstelle.

Fazit
Vattenfall Europe Mining hat seine zentrale Netzleitstelle am 8. April 2010 in Betrieb genommen. Laut Aussage von Dr. Hartmuth Zeiß, Mitglied des Vorstands von Vattenfall Europe Mining, bricht damit „ein neues technisches Zeitalter bei der zentralen Stromversorgung von Vattenfall Europe Mining“ an. Auf Basis der guten Zusammenarbeit der Teams bei Vattenfall Europe Mining und Siemens konnte das Projekt innerhalb kurzer Zeit realisiert werden.
Dieses Beispiel zeigt, dass sich mithilfe moderner Netzleittechnik und der konsequenten Verwendung der internationalen Standards CIM und ICCP eine wartbare und zukunftssichere Lösung für eine zentrale Netzleitstelle implementieren lässt.

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Autor: Dr. Arnd Krönig ist Produktmanager für Spectrum Power CC im Siemens Sector Energy in Nürnberg.