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Smart-RTU für den modernen Energiemarkt

Bild 1. Die bestehenden Stromnetze sind heute so konzipiert, dass Großkraftwerke die Energie erzeugen, welche über Höchst-, Hoch- und Mittelspannungsleitungen in die Ortsnetze zu den Verbrauchern transportiert wird

Bild 2. Das Fernwirksystem wurde mit Hinblick auf Funktionalität, Modularität, Erweiterbarkeit und Energieeffizienz entwickelt

Bild 3. Über den integrierten Web-Server lässt sich das Fernwirksystem parametrieren

Die durch den Gesetzgeber vorgesehenen finanziellen Anreize zur Errichtung und zum Anschluss von kleinen sowie mittleren dezentralen Erzeugungsanlagen an das vorhandene Mittel- und Niederspannungsnetz verändern zusammen mit der Liberalisierung der Strommärkte immer stärker die Regeln für den Bau und Betrieb von Stromversorgungsnetzen. Der Informationsbedarf aus den Ortsnetzen, die bisher noch nicht überwacht werden steigt. Nur mit zusätzlichen Mess-, Schutz- und Steuereinrichtungen mit dezentraler Intelligenz, wie der Remote Terminal Unit (RTU) von Mauell, lässt sich der sichere Netzbetrieb weiterhin gewährleisten.

Bis vor einigen Jahren wurden die Stromnetze so gebaut, dass die benötigte Energie in Großkraftwerken erzeugt und von dort über Höchst-, Hoch- und Mittelspannungsleitungen in die Ortsnetze zu den Verbrauchern transportiert wurde (Bild 1). Der überproportionale Zuwachs von Erzeugungsanlagen (Wind, Sonne und Biomasse) in Deutschland führte jedoch zu signifikanten Änderungen im Energiefluss zwischen Großkraftwerk und Verbraucher. Die kleinen und mittleren Erzeugungsanlagen speisen immer mehr Energie in den unteren Spannungsebenen ein. Dadurch wird in bestimmten Schwachlastzeiten von dort immer mehr Energie ins Hoch- und Höchstspannungsnetz zurückgespeist.
Bis heute haben die Energieversorger nur die Anlagen am Ort der höheren Spannung überwacht und gesteuert. Die neue Entwicklung erhöht jedoch den Informationsbedarf aus den Ortsnetzen, die bis zum heutigen Tag nicht überwacht werden. Um zukünftig weiterhin den sicheren Betrieb des Energienetzes zu gewährleisten, sind zusätzliche Mess-, Schutz- und Steuereinrichtungen mit dezentraler Intelligenz notwendig, die den Netzführer bei seinen Aufgaben entlasten. Diese Systeme können bei optimalem Einsatz Informationen für den gezielten Netzausbau oder Rückbau liefern.

Anforderungen an die Systemplattform
Im Anschluss an eine umfassende Marktanalyse und in Abstimmung mit den Bedürfnissen der Energiewirtschaft entstand schließlich folgender Anforderungskatalog an die neue Systemplattform:
• Offenheit hinsichtlich der Ankopplung unterschiedlicher Datenübertragungseinrichtungen auf Basis von Funk-, Draht-, Powerline- oder Gasfaserleitungen über Standard-Protokolle nach DIN EN 60870-5-101 oder DIN EN 61850-5.
• Geringe Abmessungen und an den Betrieb in Ortsnetzstationen angepasste Umwelteigenschaften.
• Offenheit hinsichtlich einer lokaler Datenerfassung über eigene Ein-/Ausgabeperipherie.
• Binäre Ein-/Ausgabekarten mit DC 24 V bis 220 V.
• Analoge Ein-/Ausgabekarten mit (0/4-20)mA
• Direktmessung von I 1 A/5 A und 300 Veff /100 V √3 mit integriertem Vier-Quadranten-Zähler oder externe Sensoren über
Industriekommunikationsschnittstellen, wie Modbus RTU.
• Lokale ausfallsichere Datenspeicherung und Fernabfrage von Ereignissen und Messwerten zur späteren Auswertung.
• Einbau und Service der Systeme durch den Netzbetrieb oder durch beauftragte Unternehmen ohne Spezialkenntnisse.
• IT-Sicherheit entsprechend BDEW Whitepaper für sichere Telekommunikationseinrichtungen.
• Einfache intuitive Projektierung des Systems und lokale Automatisierung über integrierten Web- Server oder Offline-Werkzeuge.

Funktionell, modular und energiesparend fernwirken
Um diesen und auch zukünftigen Anforderungen des Energiemarkts gerecht zu werden, hat Helmut Mauell die Hardware des Systems ME 4012 PA-N (Bild 2) auf Basis der bestehenden Softwareplattform für die Hoch- und Höchstspannungsnetze entwickelt. Bei der Konstruktion dieses kompakten Fernwirksystems standen die Aspekte Funktionalität, Modularität, Erweiterbarkeit und Energiebedarf im Mittelpunkt der entwicklungsstrategischen Bemühungen.
Das System gibt es als Aufbau- und als Einbaugerät in verschiedenen Größen von 76 mm bis 290 mm Breite bei einer Höhe von 97 mm und einer Tiefe von 132 mm (mit Stecker). Es hat drei unterschiedliche Kommunikationsschnittstellen (Ethernet, Seriell und Feldbus). Je nach Anwendung können darüber die Protokolle nach DIN EN 60870-5-101, DIN EN 60870-5-103, DIN EN 60870-5-104 oder DIN EN 61850-5 bzw. Modbus RTU betrieben werden. Des Weiteren stehen binäre und analoge Ein-/Ausgabekarten zur Prozessankopplung und eine Reihe von Stromversorgungen (mit oder ohne Hilfsspannung) zur Verfügung. Umfangreiches Zubehör bestehend aus Speicherkarten, externen Mess-, Schutz- und Überwachungseinrichtungen, Messwandlern, Netzwerkprodukten, Kommunikations¬endgeräten, Energiespeichern und vorkonfektionierten Kabelverbindungen ermöglicht eine individuelle Anpassung.

Rollenverteilung bei der Parametrierung
Das System ME 4012 PA-N wird standardmäßig über den auf der Verarbeitungseinheit integrierten Web-Server projektiert (Bild 3). Der Kunde hat die Möglichkeit über eine User-Rollen-Verwaltung festzulegen, wer welche Änderungen an der Parametrierung des Systems vornehmen kann. Standardmäßig stehen die drei Rollen Admin, Betrieb und Service zur Verfügung. Jeder Rolle lassen sich verschiedene Rechte (Parametrieren, Sicherheitseinstellungen, Kommunikationseinstellungen, Signalname ändern, Signaladressen ändern, Logicfunktionen erweitern usw.) zuweisen. In der Rolle Service besteht nur die Möglichkeit der Beobachtung. Der Administrator kann bei Bedarf auch die Anzahl der sichtbaren Seiten reduzieren. Mit dem Kunden lässt sich darüber hinaus eine kundenspezifische Grundprojektierung (Datenmodell, Funktionalität und Kommunikationsparametrierung) vereinbaren. In diesem Fall werden alle Systeme mit dieser spezifischen Projektierung werksgeprüft ausgeliefert.
Weitere Ausbaustufen sind für dieses Jahr geplant. Dazu gehören ein Web-basierendes Offline-Werkzeug für die Fernparametrierung bzw. das geplante Patch-Management über IEC- Filetransfer und die Abfrage von Archivwerten über den gleichen Mechanismus. Darüber hinaus entwickelt Helmut Mauell zurzeit spezielle Branchenlösungen für den Strom- und Gasmarkt.
Neben der Erweiterung der Basissoftware sind zusätzliche Baugruppen in der Entwicklung. Dazu gehören zum Beispiel eine Transistorausgabebaugruppe, eine potentialfreie Relaisausgabebaugruppe mit und ohne Haftrelais sowie eine Kombibaugruppe mit zwei binären Ausgängen, drei binären Eingängen und einem analogen mA-Eingang. Zudem soll es die Möglichkeit geben einzelne Baugruppen über eine Feldbuskommunikationsverbindung oder über Power-Line abgesetzt betreiben zu können. Diese neuen Baugruppen werden Ende 2011 zur Verfügung stehen.

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Auto: Wolfgang Friedrich ist Produktmanager Netzleittechnik bei der Helmut Mauell GmbH in Velbert.