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Fernwirken von dezentralen Energieerzeugungsanlagen

Bild 1. Das Protokoll-Gateway für die Überwachung und Steuerung von dezentralen Energieerzeugungs-anlagen

Bild 2. Schnittstellen des Fernwirkgateways

Bild 3. Die oberste Baumstruktur des IEC-61850-Datenmodells einer möglichen KWK-Anlage

Bild 4. Das Webinterface für die Parametrierung und den Service

Die steigende Anzahl an dezentralen Energieerzeugungsanlagen erfordert intelligente Netze, die sogenannten Smart Grids. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die Überwachung und Steuerung zum Beispiel von dezentralen Photovoltaik-, Windenergie- und Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen. Allerdings werden dabei oft unterschiedliche und zum Teil nicht genormte Datenschnittstellen aus der Welt der Mess- und der Automatisierungstechnik verwendet, die erst auf Datenmodelle und Übertragungsprozeduren der Fernwirk- und Leittechnik umgesetzt werden müssen. Ein kompaktes Protokoll-Gateway ermöglicht eine standardisierte Steuerbarkeit und Diagnose.

Die Themen Smart Grid und Micro Grid werden aktuell vor allem durch den massiven Ausbau von dezentralen Erzeugungsanlagen (DEA) angetrieben. Neben der Photovoltaik und den Windenergieanlagen, drängen auch immer mehr Anbieter von Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) auf den Markt. Die Spanne reicht dabei von Biomasseanlagen in ländlichen Gegenden bis hin zu Brennstoffzellen in Einfamilienhäusern.
Die Netzbetreiber stehen dabei vor der Herausforderung, trotz zunehmender Anzahl nicht überwach- und steuerbarer Erzeuger eine hohe Versorgungsqualität gewährleisten soll. Schließlich erfordert die Überwachung und Steuerung solcher dezentraler Anlagen eine kostenintensive Kommunikationsinfrastruktur und es fehlen geeignete und preiswerte Automatisierungseinrichtungen. Verstärkt sich dieser Trend, ist es möglich, dass Netzbetreiber zu bestimmten Zeiten nicht mehr in der Lage sind, die Versorgungsqualität zu garantieren. Die Netzbetreiber drängen deshalb auf einen höheren Überwachungs- und Automatisierungsgrad, auch im Mittel- und Niederspannungsbereich.

Einheitliche Steuerung und Überwachung
Neben Ortsnetzstationen sollen zukünftig auch kleine Erzeugungsanlagen in die Netzleittechnik mit eingebunden werden. Die Erfassung und Übertragung der dazu notwendigen Informationen ist jedoch schwierig, da in den Kleinanlagen unterschiedliche und zum Teil nicht genormte Datenschnittstellen aus der Welt des Messwesens und der Automatisierungstechnik verwendet werden, die erst auf Datenmodelle und Übertragungsprozeduren der Fernwirk- und Leittechnik umgesetzt werden müssen.
Das von IDS und einem Konsortium von Netzbetreibern entwickelte Protokoll-Gateway Acos 700 (Bild 1) bietet sich für die Überwachung und die Steuerung von dezentralen Energieerzeugungsanlagen an. Es ermöglicht eine standardisierte Diagnose und Steuerbarkeit von Kleinerzeugungsanlagen, sodass diese in die Energieverbund- und Bezugsoptimierung sowie die Steuerung von Lastflüssen einbezogen werden können. Dabei kommt bei der Ferndatenübertragung zwischen der Anlage und der Netzleitstelle das Normprotokoll nach IEC 61850-1 bzw. IEC 61400-25-4 auf Basis von Webservices zum Einsatz. Das sorgt für Unabhängigkeit vom Übertragungsmedium und eine einheitliche Datenmodellierung.

Geänderte Anforderungen an die Geräte
Im Vergleich zu der klassischen Fernwirktechnik stellt die Überwachung und Steuerung von dezentralen Energieerzeugungsanlagen neue Anforderungen an die Kommunikationsgeräte. Beispielsweise sollten für die Fernwirktechnik unübliche Hardwareschnittstellen und Datenübertragungsprotokolle zu dem eigentlichen Erzeugungssystem, wie der Brennstoffzelle und den Wärmezählern, vorhanden sein, um auf externe Wandler verzichten zu können. Zudem bietet die zu nutzende Kommunikationsinfrastruktur zur Ferndatenübertragung, wie der im Privathaushalt übliche DSL-Internetanschluss oder GPRS, von sich aus keine Sicherungsmaßnahmen für eine vertrauliche und integre Kommunikation. Da das Gerät im Privatbereich zum Einsatz kommt, haben auch Unbefugte darauf Zugriff, was ein deutlich höheres Maß an Sicherheit erfordert. Letztendlich muss auch ungeschultes Personal (Installateur) das Gerät in Betrieb nehmen können, da ansonsten erhebliche Kosten für die Inbetriebnahme anfallen würden.

Kommunikationsmöglichkeiten
Als Interface zum eigentlichen Prozess hat das Protokoll-Gateway verschiedene serielle und elektrische Schnittstellen (Bild 2). Der Anschluss von bis zu zehn Energie-, Gas- und Wärmemengenzählern erfolgt über den M-Bus oder Wireless-M-Bus. Zusätzlich ist das Gerät mit elektrischen IO-Modulen erweiterbar, um zusätzliche Informationen aus der Erzeugungsanlage aufzunehmen.
Für die Fernkommunikation sind zwei Ethernetschnittstellen und eine serielle RS-232-Schnittstelle vorhanden, die den Anschluss beliebiger Netzwerkzugänge, wie DSL, Power-Line und GPRS, erlauben. Schließlich steht nicht an allen Einbauorten der direkte Zugang zum Internet zur Verfügung. Der Servicezugang ermöglicht eine Mini-USB-Schnittstelle. Außerdem hat das Gerät einen Micro-SD-Kartensteckplatz. Die Stromversorgung erfolgt über einen Kaltgeräteanschluss, sodass kein externes Netzteil notwendig ist.

Protokoll für mehr als nur Datentransport
Für die Überwachung und Steuerung lokaler Geräte stehen eine der Netzwerkschnittstellen, die serielle Schnittstelle und die M-Bus-Schnittstelle zur Verfügung. Der integrierte M-Bus-Master dient zum Anschluss an die eventuell vorhandene Zählerinfrastruktur. Eine Reihe von Zählern unterstützt das Gateway direkt. Nicht unterstützte Zähler sind durch Anpassungen der Konfigurationsvorlage nachrüstbar. Über die beiden anderen Schnittstellen können die gängigen Feldbusprotokolle, wie Modbus oder S-Bus, genutzt werden, um beispielsweise den Status der KWK-Anlage auszulesen oder Steuerbefehle an die KWK-Anlage zu übertragen.
Anstatt bei der Kommunikation zur Leitstelle des Betreibers auf die klassischen Protokolle nach IEC 60870-5-101 oder IEC 60870-5-104 zu setzen, die keine semantische Selbstbeschreibung des Datenmodells bieten, kommt im Gateway das Protokoll nach IEC 61850 zum Einsatz. Dieses Protokoll, welches sich auch in Fernwirksystemen immer mehr durchsetzt, bietet neben dem reinen Datentransport auch Funktionen, mit denen man das Datenmodell der überwachten Station auslesen und einzelne Datenpunkte beschreiben kann. Damit entfällt der bisher notwendige Abgleich des Datenmodells der überwachten Station und mit der Leitstelle.

Webservices reduzieren den Kommunikationsaufwand
Sowohl die KWK-Anlage, als auch eingesetzte M-Bus-Zähler lassen sich als eigenständige und unabhängige Knoten im Datenmodell erstellen. Alle Datenpunkte eines Geräts werden dann unterhalb des jeweiligen Geräteknotens platziert (Bild 3). Anstatt für die IEC-61850-basierte Kommunikation die etablierten Protokolle MMS oder Goose einzusetzen, kommt bei den Acos 700-Gateways IEC 61850 über Webservices zum Einsatz. Im Unterschied zur Kommunikation über IEC 61850/MMS wird dabei keine dauerhafte Kommunikationsverbindung gehalten, sondern nur bei Bedarf aufgebaut. Dieses bei klassischen Fernwirksystemen eher unerwünschte Verhalten, führt bei vielen dezentralen Erzeugungsanlagen zu einer Entlastung des Betreibers. Typischerweise ist es nicht notwendig, die Anlagen in Echtzeit zu überwachen und zu steuern. Darum muss der Betreiber im Vergleich zu einer MMS-basierten Kommunikation nur einen Bruchteil der Kommunikationsinfrastruktur bereitstellen, da zu einem Zeitpunkt nur wenige Kommunikationsverbindungen aktiv sind.
Von Vorteil für den Betreiber ist auch, dass die Schnittstelle des IEC-61850-Dienstes bei der offenen Webservices-Techno-logie mithilfe einer sogenannten WSDL-Datei beschrieben wird. Diese enthält eine formale Beschreibung aller Funktionen und Parameter, die über die IEC 61850-Schnittstelle genutzt werden können. Mithilfe dieser WSDL-Datei lässt sich der Kommunikations-Stack, den der Betreiber für den Zugriff auf das Kompaktgerät benötigt, für die gängigen Programmiersprachen weitgehend automatisch erzeugen. Es ist daher nicht notwendig, lizenzpflichtige Software von Drittanbietern einzusetzen.

Sicherheit bei der Kommunikation
Durch den Einsatz im Privatbereich bestehen spezielle Anforderungen an die Integrierbarkeit und Sicherheit des Gateways. Die Kommunikation zur Leitstelle des Betreibers kann über einen bereits vorhandenen Breitbandanschluss oder über den Mobilfunkstandard GSM/GPRS erfolgen. Nach dem Herstellen der Internetverbindung baut das Gerät eine gesicherte Kommunikationsverbindung (Virtual Private Network) zum Betreiber auf. Darüber läuft die gesamte Kommunikation zwischen Gerät und Betreiber, sodass Außenstehende weder Daten mitlesen noch einspielen können. Zusätzlich stellen Standardtechniken, wie Firewall und Zugangskontrolle, sicher, dass Unbefugte keinen direkten Zugriff auf das Gerät selbst erlangen können.
Um die Inbetriebnahmekosten möglichst gering zu halten, kann das bei der Installation der KWK-Anlage vorhandene Personal das Protokoll-Gateway montieren und in Betrieb nehmen. Der Service-Zugang erfolgt über die USB-Schnittstelle. Die webbasierte Konfiguration kann mit einem gängigen Webbrowser vorgenommen werden (Bild 4), sodass die Installation und Wartung einer speziellen Software entfällt. Abhängig von der verwendeten Konfigurationsvorlage, die bestimmte betreiberspezifische Voreinstellungen enthalten kann, sind nur wenige Parameter, wie Standortinformationen, M-Bus-Zählerinfrastruktur und VPN-Verbindung, einzustellen.

Fazit
Das kompakte Fernwirk-Gateway enthält die für die überwachungs- und steuerungstechnische Einbindung von dezentralen Kleinerzeugungsanlagen notwendigen Hardwareschnittstellen und die gängigen Protokollimplementierungen. Aufgrund der hohen Integrationsdichte sind für den normalen Betrieb keine weiteren externen Komponenten notwendig. Mit dem integrierten M-Bus-Master eignet sich das Gerät auch zum Auslesen der Zählerinfrastruktur. Über die verbleibenden Schnittstellen kann die eigentliche dezentrale Energieerzeugungsanlage überwacht und gesteuert werden. Über zwei optionale Erweiterungsmodule ist das Gerät um GSM/GPRS und Wireless-M-Bus erweiterbar. Als Kommunikationsprotokoll zur Leitstelle des Betreibers kommt IEC-61850 über Webservices zum Einsatz. Dieses bietet einen strukturierten Zugriff auf das Datenmodell des Protokoll-Gateways und lässt sich leicht und kostengünstig in die Infrastruktur des Betreibers integrieren. Die Kommunikation zwischen Protokoll-Gateway und Betreiber stellt ein VPN-Tunnel sicher.

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Autor: Dr.-Ing. Michael Conrad ist Softwarearchitekt im Geschäftsbereich Entwicklung-Prozessautomatisierung bei der IDS GmbH in Ettlingen.

Autor: Dr.-Ing. Ralf Thomas verantwortet den Bereich Business Development und Marketing bei der IDS GmbH in Ettlingen.