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Innovative Schutzkonzepte für Mittelspannungsnetze nach IEC 61850 erfordern eine durchdachte Kombination aus Schutz- und Kommunikationstechnik

Zeitgemäßer Schutz im Verteilnetz

01 Ausrüstung der Stationen für das Teilnetz Sesslach

02 Fernauslösegerät NSD570 ermöglicht die schnelle, verlässliche und sichere Übertragung von Schutzsignalen

03 Vereinfachtes Funktionsdiagramm des Selektivschutzes mit Überreichweite

04 Die Schnittstellen des NSD570 zu den Kommunikationssystemen und den Schutzgeräten

Während der Schutz von Verteilnetzen bisher autark behandelt wurde, folgen innovative Schutzkonzepte heute dem Trend zur Vernetzung und nutzen Synergien für maximale Versorgungssicherheit. Die SÜC Coburg hat frühzeitig auf zukunftsorientierte Kommunikationstechnologien gesetzt und stattet das gesamte Netz mit Glasfaserkabeln aus. Die Kombination aus Schutz- und Kommunikationstechnologie hat zu einem richtungsweisenden Konzept für den Schutz in Mittelspannungsnetzen geführt. ABB realisierte dieses Konzept mit dem Gateway-Ansatz des universellen Fernauslösegeräts NSD570 sowie der konsequenten Nutzung der funktionalen Fähigkeiten vom Stationsbus nach IEC 61850.

Die Städtische Werke Überlandwerke Coburg GmbH hat ihren Ursprung in der 1854 vor Ort gegründeten Gasfabrik. Heute versorgt sie rund 60.000 Haushalte und 1.000 Gewerbekunden im nordwestlichen Oberfranken bis ins angrenzende Thüringen hinein zuverlässig mit Energie, Wärme, Wasser, Mobilität – und seit 2011 durch den regionalen Glasfaserausbau auch mit schnellem Internet. Zurzeit beliefert die SÜC über das 20-kV-Netz Seßlach ca. 5.000 Kunden auf einer Fläche von 90 km 2 mit elektrischer Energie. Ein flächenmäßig so großes Versorgungsgebiet mit einem widerstandsgeerdeten 20-kV-Mittelspannungsnetz zu betreiben, stellt den Netzschutz vor Herausforderungen in Bezug auf Selektivität und Geschwindigkeit. Die Größe des Gesamtnetzes macht es erforderlich, dass neue Teilnetze anders als bisher nicht mehr kompensiert, sondern widerstandsgeerdet betrieben werden müssen. Da das Netz der SÜC beide Varianten umfasst, müssen in den Netzschutzgeräten Parametersätze sowohl für das niederohmig geerdete als auch für das kompensiert betriebene Netz verfügbar sein. Je nach Bedarf werden diese von der Netzleitstelle umgeschaltet. Im Zuge des Netzausbaus wurden Glasfaserleitungen verlegt, über welche die Anlagen untereinander sowie mit der Netzleitstelle in Coburg verbunden sind. Dieses Glasfasernetz ermöglicht auch die schnelle netzweite Kommunikation zwischen den Schutzgeräten und damit die Realisierung des modernen Schutzkonzepts unter Nutzung des Kommunikationsstandards IEC 61850. Dies erlaubt die Integration von Geräten unterschiedlicher Hersteller.

Schutzkonzept mit Fernauslösung ermöglicht 100-%-Überwachung
Ein Schutzsystem soll sämtliche Fehler auf jeder Kabelstrecke sicher erkennen und sie in möglichst kurzer Zeit selektiv ab schalten. Mit den bisherigen Verfahren überwachte die SÜC 85 % der Kabelstrecken in Schnellzeit, die restlichen 15 % erst mit einer Zeitverzögerung von ca. 0,3 s. Um tatsächlich 100 % jeder Kabelstrecke in einer Schutzzone zu erfassen, wurde ergänzend zu den Distanzschutzeinrichtungen ein Fernauslösesystem zwischen den jeweiligen Stationen installiert. Es überträgt die Auslösesignale von den Distanzschutzgeräten sicher an das andere Leitungsende. Die Signalübertragung von Stationsbussystemen nach IEC 61850 mittels Fernkommunikation über einen LWL-basierten Ethernet-Ring stellt ein Novum im Bereich der Mittelspannung dar (Bild 1). Die Aus- und Einkopplung der erforderlichen Distanzschutzsignale erfolgt über einen Ethernet-basierten Bus mit Goose-Nachrichten und nicht mehr über viele direkt verdrahtete Schaltkontakte. Das Rangieren der Signale geschieht dabei ausschließlich über standardisierte Engineering- Tools. Neben den Steuerungs- und Automatisierungssignalen werden damit bei der Lösung der SÜC Coburg auch die Schutzsignale über den IEC-61850-Stationsbus ausgetauscht. Das Fernauslösegerät NSD570 (Bild 2) von ABB ist als Gateway ein wichtiger Funktionsbaustein für den Stationsbus, um zwei räumlich getrennte Stationen miteinander zu verbinden. Der Anschluss an den Stationsbus erfolgt über seine Goose-Schnittstelle und an die Backbone-Geräte des Glasfasernetzes über seine Ethernet/IP-Leitungsschnittstelle. Neben den Steuerungs- und Automatisierungssignalen werden bei der Lösung der SÜC Coburg auch die Schutzsignale über den IEC-61850-Stationsbus ausgetauscht.

Typische Übertragungszeiten für das Fernauslösesystem liegen bei <10 ms. Daraus resultieren Auslösezeiten des gesamten Schutzsystems für 100 % der jeweiligen Kabelstrecke von typisch ca. 70 ms. Die Auslösesignale (sogenannte „Befehle“) sind über eine standardisierte Logik mit bestimmten Bedingungen verknüpft. Die SÜC verwendet das Pott-Verfahren, einem Selektivschutz mit Überreichweite und Freigabe (Bild 3). Die Schutzgeräte in Bild 3 dürfen bei einem Fehler innerhalb des Leitungsabschnitts den jeweiligen Leistungsschalter nur in Schnellzeit öffnen, wenn auch von der Gegenseite ein Auslösebefehl über das Fernauslösesystem empfangen wird. Diese Logikfunktion steht als Standardbaustein in den bei der SÜC zum Einsatz gebrachten Schutzgeräten REF630 zur Verfügung. Die multifunktionellen Schutzgeräte bieten aufgrund von sechs Distanzschutzfunktionen separate Einstellungen der Zonenreichweiten für Phase-Phase-Fehler und Phase- Erde-Fehler. Als Kriterium zur Fehlererkennung wird eine polygonale Unterimpedanz-Anregung verwendet. Als zusätzlicher Reserveschutz mit Zeitverzögerung dient ein ungerichteter Nullstromschutz.

Flexible Kommunikation
In einem 19-Zoll-Baugruppenträger können zwei unabhängige Fernauslösegeräte NSD570 untergebracht werden. Für den Netzschutz bieten sie ein komplettes Set an Schnittstellen zu den diversen Kommunikationssystemen und Schutzgeräten. Externe Zusatzgeräte, wie Schnittstellen- oder Datenraten-Konverter, sind nicht erforderlich. Abhängig vom vorhandenen Kommunikationssystem sind die Fernauslösegeräte mit einer entsprechenden Leitungsschnittstelle ausgerüstet – analog, digital, optisch oder Ethernet/IP (Bild 4). Bei einem Systemwechsel, zum Beispiel von analog zu digital, muss man nur diese eine Baugruppe austauschen. Die Schnittstelle zu den Schutzgeräten ist üblicherweise kontaktbasiert und fest verdrahtet pro Auslösebefehl. Bis zu acht gleichzeitige und unabhängige Befehle können pro NSD570 über solche Kontaktschnittstellen an die entfernte Unterstation übertragen werden. Es ist aber auch möglich, das Gerät an den Stationsbus zu hängen und maximal acht Auslösebefehle mittels Goose-Nachrichten gemäß IEC 61850-8-1 von den Schutzgeräten zu empfangen. Die Befehle werden dabei aus den Goose-Nachrichten herausgefiltert und in ein Übertragungssignal umgewandelt, das für den benutzten Kanal optimiert ist.

Softwaretools erleichtern das Engineering
Der Engineeringprozess basiert vollständig auf internationalen Standards und ist frei von kunden- oder herstellerspezifischen Aspekten. Damit entspricht er den Anforderungen von IEC 61850 an offene Systeme und Interoperabilität. Zur Anwendung kommt die im Standard definierte Stationsbeschreibung im SCL-Format. Im ersten Schritt wurden die .ICD Files des NSD570 generiert und über das IEC-61850-Konfigurationstool IET600 von ABB in das bereits bestehende .SCD File des Projekts importiert. IET600 bietet vollwertige Engineeringfunktionalitäten für die Systemintegration von IEC 61850 bei Stationsleittechnik-Systemen. Mit ihm wurden dann die Goose-Signale entsprechend der Zuordnung der Felder für den Signalvergleich verknüpft und für jede Station ein neues .SCD File erstellt. Im Anschluss wurde das jeweilige .SCD File von dem Bedien- und Parametriertool PCM600 für Schutz- und Steuerungsprodukte importiert, damit daraus die Konfiguration der Schutzgeräte REF630 extrahiert werden konnte. In gleicher Weise wurde die Konfiguration für die Fernauslösegeräte NSD570 mit dessen Bedienerprogramm HMI570 aus den .SCD Files extrahiert. Die Funktion des installierten Schutzsystems wurde durch synchron angesteuerte Prüfgeräte von Omicron an den jeweiligen Leitungsenden mit unterschiedlichen Fehlersimulationen geprüft und nachempfunden. Die gemessenen Reaktions- und Übertragungszeiten des Systems waren für SÜC Coburg überzeugend.

Fazit
Das Fernauslösegerät NSD570 unterstützt mit diesem Konzept die schrittweise Umstellung von Unterstationen auf digitale Technologien und IEC 61850. Der große Bestand an installierten Schutzgeräten mit kontaktbasierten Befehlsschnittstellen kann mit allen vorhandenen Kommunikationsmedien genutzt werden, sogar parallel mit IEC-61850-konformen Schutzgeräten über dieselbe NSD570-Verbindung. Zusätzlich ist es möglich, Befehle aus Goose-Nachrichten von einer Unterstation an kontaktbasierte Schutzgeräte in der entfernten Unterstation zu übertragen. (no)

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Autoren:
Dipl.-Ing. Klaus Jost arbeitet im Vertrieb, Geschäftsbereich Network Management bei ABB Deutschland Energietechnik-Systeme in Mannheim. Klaus.Jost@de.abb.com

Jürgen Präcklein ist Elektromeister in der Abteilung Netzschutz/Kabelmesswagen bei der Städtische Werke Überlandwerke Coburg GmbH
in Coburg. juergen.praecklein@suec.de

Rico Reißmann ist Elektrotechniker in der Abteilung Netzschutz/Kabelmesswagen bei der Städtische Werke Überlandwerke Coburg GmbH, Coburg. rico.reissmann@suec.de

Michael Strittmatter ist Produktmanager für TFH- & Fernauslösegeräte bei ABB Schweiz Energietechnik-Systeme Communication Networks in Baden/Schweiz. michael.strittmatter@ch.abb.com