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Kommunikationslösungen für intelligente Stromnetze

Bild 1. Die Geräte der Ruggedcom-Produktlinie wurden speziell für den Betrieb in Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen entwickelt und zeichnen sich beispielsweise durch hohe EMV-Festigkeit, erweiterte Betriebs­temperatur­bereiche und die Unterstützung hochgenauer Uhrzeitsynchronisation aus

Bild 2. Die geplante Energiewende verändert den Markt: weg von einem unidirektionalen hin zum bidirektionalen Strom- und Informationsfluss, da immer mehr private Teilnehmer regenerative Energie in das Stromnetz einspeisen und damit steuerbare Abnehmer werden bzw. als potenzielle Speicher fungieren

Bild 3. Viele, regional verteilte Messdaten müssen kontinuierlich erfasst und über zuverlässige Kommunikationstechniken an die Leitstelle übertragen werden

Eine zentrale Rolle beim Aufbau von Übertragungs- und Verteilnetzen für elektrische Energie spielen Lösungen, die auch den rauen Umgebungsbedingungen trotzen und betriebskritische Anwendungen zuverlässig und störungsfrei meistern. Dies gilt auch für alle Ethernet-Netzwerke in der Energieerzeugung und -verteilung. Entscheidend sind sichere und robuste Kommunikationslösungen für intelligente Stromnetze, die eine kosteneffiziente Fernüberwachung und -steuerung der Smart Grids möglich machen.

Energieversorger stehen vor der Herausforderung, die Versorgungssicherheit mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand bei Stromerzeugung, -übertragung und -verteilung zu gewährleisten. Die Energienachfrage wächst weltweit kontinuierlich und die steigenden Strommengen müssen über große Distanzen transportiert werden. Durch den Einsatz regenerativer Energien sollen die Verknappung fossiler Brennstoffe ausgeglichen sowie die CO 2 -Emission reduziert werden. Dennoch müssen die Stromerzeuger mit ihren Kraftwerken weiterhin die Grundversorgung sicherstellen. Zusätzlich müssen sie aber Wasser-, Wind- und Solarenergie intelligent in ihre Versorgungssysteme integrieren.
Um den Energiemix effizient zu gestalten, ist eine Koordination aller Prozesse notwendig. Industrial-Ethernet-basierte Informations- und Kommunikationstechnik spielt dabei eine Schlüsselrolle. Sie übernimmt die Vernetzung aller Komponenten des gesamten Energieversorgungssystems. Kraftwerksleitsysteme, Steuerungen in Umspannwerken und Verbraucher werden vernetzt und tauschen über standardisierte Kommunikationsprotokolle Informationen aus. Die bisherigen Energieversorgungsnetze mit passiven, unvernetzten Komponenten und unidirektionaler Kommunikation entwickeln sich zu marktorientierten, dynamischen und integrierten Systemen. Gleichzeitig müssen Netzwerkkomponenten, wie Ortsnetzstationen, verteilte Energieerzeuger, virtuelle Kraftwerke, Microgrids, öffentliche Ladestationen und Privathaushalte, in das Smart-Grid-Kommunikationsnetz integriert werden.
Die dezentralisierte Energieversorgung setzt durchdachte Lösungen für die Kontrolle und Steuerung der Einspeisepunkte in den Übertragungs- und Verteilungsnetzen voraus. Der Versorger benötigt jederzeit einen transparenten Überblick über den aktuellen Zustand seines gesamten Verteilnetzes. Verschiedene Daten, zum Beispiel über Verbrauch, Temperaturen und Schalterzustände, müssen zuverlässig übertragen und transparent dargestellt werden. Zudem müssen die Systeme Ferndiag­nose und -wartung ermöglichen, um die Verfügbarkeit der Netze zu steigern sowie Ausfallzeiten zu reduzieren. Außer­dem steigt durch die Kommunikationsanforderungen der neuen Energieanwendungen, wie der Zählerdatenverwaltung, der Kommunikationsbedarf rapide. Die dazu notwendigen Kommunikationsnetzwerke erfordern eine sorgfältige Planung und Realisierung.
Siemens bietet mit dem Produktspek­trum Scalance zuverlässige Netzwerklösungen für die industrielle Kommunikation. Unter dem neuen Begriff „Rugged Communication“ (Übernahme des Unternehmens RuggedCom Inc. 2012 durch Siemens ) bietet das Unternehmen jetzt ein erweitertes Portfolio für die Kommunikation im Bereich Energieversorgung, speziell für betriebskritische Anwendungen, und macht dadurch einen sicheren, wirtschaftlichen und effizienten Netzbetrieb möglich.

Netzwerklösungen für die Automa­tisierung von Übertragungsnetzen
Bei Energieversorgern wächst die Nachfrage an IP-basierten Kommunikationsnetzen, da sie schneller und flexibler sind, aber auch mehr Funktionalität als viele serielle Übertragungsmedien bieten. Umspannwerke werden zunehmend automatisiert und von den Leitzentralen der Versorger gesteuert und überwacht. Grundlage hierfür bildet die Normenreihe DIN EN 61850 , die unter anderem eine einheitliche Kommunikationsinfrastruktur auf Basis von Ethernet definiert und den Daten­austausch zwischen den verschiedenen Kommunikationspartnern weiter vereinfacht. Diese Kommunikationslösungen müssen exakt an die in der Norm festgelegten Definitionen angepasst werden: zum Beispiel elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-Festigkeit), erweiterte Betriebstemperaturbereiche, sehr hohe Betriebsstundenzahlen und Zeitsynchronisation. Zusätzlich müssen die Definitionen von schnellen Rekonfigurationszeiten des Kommunikationsnetzwerks, geringen Verzögerungen bei der Datenübertragung und zunehmender Bandbreitenbedarf erfüllt werden.
Die erwähnte Ruggedcom-Produktlinie ist speziell für die robuste Ethernet-Kommunikation innerhalb der Nieder-, Mittel- und Hochspannungsinfrastruktur ausgelegt. Sie umfasst Netzwerk-Router, Ethernet-Switche, serielle Server und Medienwandler, die besonders für betriebs- und zeitkritische Anwendungen geeignet sind. Damit bietet das Portfolio dem Anwender die höchstmögliche Flexibilität, unterschiedliche Schnittstellen über Netzwerkinfrastrukturen, wie Glasfaser- und Kupferleitungen oder auch drahtlos, anzubinden. Die für den rauen Einsatz entwickelten Geräte halten zudem vielen „Extrembedingungen“ stand, so auch Temperaturschwankungen von –40 °C bis 85 °C, Vibrations- oder Schockeinwirkungen. Zudem können bestehende Anlagenteile und Infrastrukturen, die noch seriell vernetzt sind, in neue Ethernet-basierte Netzwerke eingebunden werden.
Mit der auf der Hannover Messe 2013 vorgestellten Switch-Plattform Ruggedcom RSG2488 hat Siemens eine weitere Komponente für Ethernet-basierte Kommunika­tionslösungen zur Stationsautomatisierung vorgestellt. Der High-Density-Layer-2-Rack-Switch bietet bis zu 28 Gigabit-Ports in einem Aluminiumgehäuse mit kompaktem Formfaktor von einer Höheneinheit (1 HE). Das Gerät ist ausgelegt für den lüfterlosen Betrieb bei Umgebungstemperaturen von -40 °C bis 85 °C sowie unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und Überspannungen nach IEEE 1613 und E DIN EN ­61850-3 .
Der RSG2488 ist modular aufgebaut und kann flexibel mit Ports für 10/100/1000TX-Kupferleitungen sowie 100FX- oder 1000SX- Glasfaserleitungen bestückt werden. Die Module lassen sich direkt vor Ort austauschen oder ergänzen. Der modulare Aufbau sowie die Möglichkeit, die Weitbereichsnetzteile (DC 100 V – DC 300 V bzw. AC 88 V – AC 264 V) direkt im laufenden Betrieb auszutauschen (hot swap), vereinfachen die Instandhaltung und ermöglichen den Anwendern, das Gerät schnell und kostengünstig an veränderte Anforderungen anzupassen.
Das Betriebssystem ROS des Ruggedcom -Portfolios sorgt für Systemzuverlässigkeit und Netzsicherheit basierend auf Redundanzmechanismen, wie MSTP, RSTP und „eRSTP„. Mit letzterem lassen sich Rekonfigurations­zeiten im Millisekundenbereich erzielen. Hinzu kommen Security-Mechanismen, wie Multilevel User Passwords SSH/SSL (128 bit Encryption) sowie VLAN (802.1Q), um den Datenverkehr auf dem Netzwerk zu trennen sowie zentralisiertes Passwortmanagement über Radius. Diese Switch-Plattform ist damit ideal zum Aufbau sicherer Ethernet-Netzwerke für betriebskritische Echtzeitanwendungen und Kontrollapplikationen geeignet.
Für das sich derzeit etablierende Netzwerk-Redundanzverfahren PRP (Parallel Redundancy Protocol) bietet Siemens ebenfalls ein umfassendes Portfolio an. Dieses Redundanzverfahren kommt auch in Prozessbussen von Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen und deren zeitkritischen Anwendungen zum Einsatz. Speziell bei diesen Anlagenteilen sind Ausfall- und Rekonfigurationszeiten des Kommunikationsnetzes im Millisekundenbereich inakzeptabel. Grundlage dieses Redundanzverfahrens nach DIN EN 62439-3 ist die doppelte Übertragung der Daten-Telegramme in zwei getrennten Netzwerken (LAN A, LAN B).
Geräte mit PRP-Funktion werden über zwei Netzwerkschnittstellen mit beiden Netzen verbunden. Diese PRP-Geräte doppeln die zu übertragenden Telegramme. Es kann sich dabei um Endgeräte, wie Schutzgeräte und PC, oder Netzzugangspunkte handeln. Über Netzzugangspunkte werden Geräte oder Netzsegmente ohne PRP-Funktion an ein PRP-Netzwerk angeschlossen. Somit ist auch die Anbindung von bestehenden Anlagenteilen an ein PRP-Netz möglich. Bei eventuell auftretenden Netzwerkfehlern in LAN A oder LAN B ergeben sich damit faktisch Rekonfigurationszeiten des Netzes von 0 s, das heißt stoßfreie Redundanz.

Smart Grid – Lösungen für bidirektionale intelligente Verteilnetze
Durch die zunehmende Einspeisung von regenerativen Energiequellen, vermehrt auch privater Anbieter, erfolgt der Stromfluss bidirektional. Viele bisher unvernetzte Ortsnetzverteilstationen müssen dazu modernisiert werden, sodass ein Datenaustausch zwischen den verschiedenen Systemen und der Leitwarte möglich ist. Smart Grids setzen eine flächendeckende Kommunikation vom jeweiligen Stromzähler über die Schaltanlagen der Umspannwerke bis zu den Leitstellen der Energieerzeuger voraus.
Flexible Kommunikationslösungen ermögli­chen eine ­verbesserte Überwachung und Steuerung der Netzinfrastruktur. Sie erhöhen damit die Transparenz von Lastfluss und Lastverteilung, sodass Stromproduktion und -verbrauch aufeinander abgestimmt sind.
Mit dem „EoVDSL“-Portfolio (Ethernet over VDSL) von Siemens ist die Vernetzung von Ortsnetzverteilstationen über vorhandene Zweidraht-Kupferleitungen der Energieversorger möglich. Zusätzlich bieten integrierte serielle Schnittstellen eine Anbindung bestehender Infrastruktur und verringern den Aufwand bei einer Modernisierung.
Zum Beispiel mit den Geräten Ruggedcom RS900L.-.... , RS910L.-.... , RS920L.-.... und RS930L.-.... stehen Anwendern Ethernet-Switche und serielle Server zur Verfügung. Darüber lassen sich „EoVDSL“-Verbindungen von bis zu 5 km über vorhandene Telefonleitungen realisieren. Es sind Geschwindigkeiten bei der Datenübertragung von bis zu 35 Mbit/s (symmetrisch) möglich. Abhängig von der Entfernung und Leitungsqualität wählt der Switch automatisch die schnellst mögliche Datenrate aus.
Über die Ethernet-Switche mit „EoVDSL“ werden lokale Ethernet-Netzwerke zum Beispiel in Ortsnetzstationen auch über große Entfernungen an die Leitwarte angebunden. Durch die Verwendung vorhandener Telefonleitungen verkürzen sich die Implementierungszeiten dieser Kommunikationsnetze. Neben vorhandenen Zweidrahtkupferleitungen können auch Lichtwellenleiterstrecken in die „EoVDSL“-Netze eingebunden werden. Für die Anbindung von Unterstationen mit seriellen Geräten stehen serielle Server zur Verfügung. Sie können wie die „EoVDSL“-Switche in „EoVDSL“- und Lichtwellenleiternetze eingebunden werden. Somit ist das Kommunika­tionsnetz flexibel an die Bedürfnisse und die bestehende Infrastruktur der Energieversorger anpassbar. Durch die Verwendung von VLAN (Virtuelle LAN) kann der Datenverkehr separiert werden.
Die nach IEEE 1613 und DIN EN 61850-3 kons­truierten Geräte sind für raue und klimatisch anspruchsvolle Einsatzbedingungen bestens geeignet und zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit aus. Sie sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und elektrischen Überspannungen und können bei Betriebstemperaturen von –40 °C bis 85 °C betrieben werden. Die Geräte verfügen über kompakte, verzinkte Stahlgehäuse, die für die Montage auf Normprofilschienen oder Wandmontage geeignet sind.

Zuverlässige Kommunikation über große Entfernungen mit Funklösungen
Überall dort, wo die Installation von Infrastrukturen für die drahtgebundene Kommunikation über Kupfer- oder Glasfaserleitungen zu aufwendig ist, setzen Energieversorger bevorzugt auf drahtlose Lösungen. Mit 2G- und 3G-Lösungen werden unkritische Daten über öffentliche Kommunikationsnetze übertragen. Für betriebskritische Anwendungen im Smart Grid kommen Wireless LAN- und 4G-basierte Lösungen für private Netze zum Einsatz. Damit lassen sich zuverlässige Netzwerke auch über größere Entfernungen aufbauen.
Speziell für Anwendungen, bei denen verschlüsselte, kabellose VPN-Datenübertragung gefragt ist, hat Siemens ein Zusatzmodul zum Router Ruggedcom RX1000 auf den Markt gebracht. Rugged­cell HSPA erlaubt Anwendern den Aufbau ihrer Netzwerke und die Anbindung entfernter Standorte mit Breitbandverbindungen bei optimaler Übertragungsqualität. Durch Security-Mechanismen wie VPN können sicherheitsrelevante Komponenten und Anlagenteile in Steuerungs- und Automatisierungssystemen geschützt werden. Dadurch lassen sich Störungen des Betriebs durch versehentliche oder böswillige Eingriffe verhindern. Das für 2G- und 3G-Lösungen gedachte Zusatzmodul zeichnet sich durch Robustheit, erweiterten Temperaturbereich, VPN-Funktionalität mit IPSec-Protokoll sowie Firewall-Mechanismen aus. Es unterstützt die Mobilfunk-Übertragungsverfahren HSDPA, HSUPA, UMTS, EGPRS und GPRS.
Ein VPN bzw. VPN-Tunnel erlaubt den sicheren, verschlüsselten Datentransfer über öffentliche Kommunikationsnetze. Für den Aufbau einer VPN-Verbindung sind Mobilfunk-Router und Netzwerkkomponenten mit Verschlüsselungsmechanismen ausgestattet. Bei einem „Private VPN“ wird der VPN-Tunnel zwischen Routern bzw. Netzkomponenten des Anlagenbetreibers aufgebaut. ­Diese Lösung hat den Vorteil, dass ein Anwender die Dienstleistungen unterschiedlicher Provider nutzen kann. Zudem ist weltweites Roaming möglich und es fallen keine zusätzlichen monatlichen Gebühren für die Bereitstellung des VPN-Tunnels durch ein Telekommunikationsunternehmen an. VPN-Installationen vereinfachen die sichere Kommunikation zwischen privaten Netzwerken über öffentliche Kommunikationsnetze und bieten auch die Möglichkeit, die Infrastrukturen schnell und kostengünstig zu erweitern.

Fazit
Die zunehmende Dezentralisierung der Stromerzeugung stellt neue Anforderungen an die zugehörige Kommunikationsinfrastruktur. Immer mehr Energienetzkomponenten, wie Ortsnetzstationen, verteilte Energieerzeuger, virtuelle Kraftwerke, Microgrids, öffentliche Ladestationen und Privathaushalte, müssen in das Smart-Grid-Kommunikationsnetz integriert werden. Hinzu kommen neue Anwendungen, zum Beispiel Zählerdatenverwaltung, was einen zusätzlichen Kommunikationsbedarf bedeutet. Mit den Ruggedcom-Produkten bietet Siemens seinen Kunden ein speziell auf die besonderen Herausforderungen ausgelegtes Produktportfolio an. Entsprechend dem jeweiligen Einsatz kann der Anwender daraus die am besten geeigneten Komponenten auswählen und eine zuverlässige und sichere Kommunikationslösung für seine betriebskritischen Anwendungen realisieren. (ih)

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Autoren: Jochen Fielhauer ist im Presales Support Industrial Communication in der Business Unit Sensors and Communication bei der Siemens AG in Nürnberg tätig.

Gerhard Wieserner ist Business Development Manager, ­Electric Power Solutions in der Business Unit Sensors and Communication bei der Siemens AG in Nürnberg