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01 Elektrische Energieversorgung in Gefahr – ohne Informationen über den „Gesundheitszustand“ der Netze

Informationen über den „Gesundheitszustand“ der Energienetze

02 Logischer Knoten “Measurements” – MMXU

03 Daten eines Leistungsschalters

04 Zustandsinformationen eines Schaltgeräts

05 Auszug aus dem Wiedereinschalt-Schutz

„Auf der Anwenderseite sucht man eigentlich nicht nach GSM-Modulen, Gateways und SIM-Karten, sondern nach Informationen“, stellt Klaus-Dieter Walter von SSV zum Thema M2M fest. Für die elektrische Energieversorgung (Bild 1) ist für alle Bereiche – von der Erzeugung über den Transport, die Verteilung bis zum Energienutzer – eine Fülle wichtiger Informationen für den sicheren und zuverlässigen Betrieb der Netze bereits genormt. In diesem Beitrag werden international genormte Informationen für „lebenserhaltende“ Maßnahmen vorgestellt.

Daten über den „Gesundheitszustand“ der elektrischen Energieversorgungsnetze gibt es wie Sand am Meer. Wie können daraus nützliche Informationen ab- und weitergeleitet werden? In der Regel werden Informationen herstellerspezifisch „verpackt“, sodass sie nach dem Austausch nur von denjenigen verstanden werden, die den „Verpackungs-Schlüssel“ kennen. Die „Verpackungsindustrie“ in Form der industriellen Kommunikationssysteme (vor allem Feldbusse) hat eine Vielfalt von „Verpackungsmethoden“ erfunden, die in Süddeutschland anders funktionieren als in Norddeutschland oder gar in Übersee. Zustandsinformationen, wie Außenleiterströme und -spannungen, Frequenzen, Blindleistungswerte, Oberschwingungen, Temperaturen in einer Windturbine, einem Motor oder einem Transformator sind für den sicheren Betrieb eines Energieversorgungssystems genauso wichtig wie der Blutdruck eines Menschen. Übliche Blutdruckmessgeräte geben den Blutdruck meist in mmHg (Millimeter Quecksilbersäule) an. Stellen Sie sich vor, Hersteller von Blutdruckmessgeräten würden eigene physikalische Einheiten, Kennzeichnungen und Messmethoden verwenden. In einem Beitrag „Smart Grid – Eine Erfindung des 18. Jahrhunderts“ wird auf die Tatsache hingewiesen, dass die Energiewende Eingriffe erfordert, die am „offenen Herz“ vorgenommen werden. Stellen Sie sich eine Opera tion am Herzen eines Menschen vor, bei dem Hersteller von Messinstrumenten, Ärzte und OP-Schwestern in jedem Operationssaal die Information „Blutdruck“ hinsichtlich eines normalen, bedenklichen oder gar kritischen Wertebereichs diskutieren und vereinbaren müssten. Auch für die elektrischen Versorgungsnetze sind wichtige Informationen, wie die Kenngrößen Ströme, Spannungen und Phasenwinkel, eines dreiphasigen Drehstromnetzes definiert und anerkannt. Der momentane Effektivwert des Stroms des Außenleiters L1 gegen Erde oder der maximale Effektivwert während der letzten Stunde ist seit Jahrzehnten genau festgelegt. Wie können solche Werte einheitlich „verpackt“ und kommuniziert werden?

Umfangreiche Informationen
Die Normenreihen IEC 61850 (Kommunikationsnetze und Systeme für die Automatisierung in der elektrischen Energieversorgung) und IEC 61400-25 (Erweiterungen für Windturbinen) definieren – unabhängig von der Kommunikation – einige tausend Informationen.

06 Geräte mit IEC 61850 und IEC 60870-5-104

07 Abbildung von Signalen auf IEC-61850-Objekte

Neben den elektrischen Größen gib es Informationen über den Betrieb, die Betriebsbereitschaft und den Betriebszustand von Betriebsmitteln (beispielsweise eines Schaltgeräts oder Transformators) oder die Verfügbarkeit von Ressourcen, wie Speicherkapazität und Füllstand. Die wichtigsten Kenngrößen sind in mehr als 250 sogenannten Logischen Knoten (logical nodes) definiert. Die Tabelle in Bild 2 zeigt einen Auszug aus dem Modell für ein dreiphasiges Wechselstromnetz (Logischer Knoten „Measurements“ – MMXU). Das Objekt „Abgang2_MMXU1“ der MMXU-Klasse repräsentiert die Kenngrößen an der Messstelle Abgang 2. Mit der Konfigurationssprache „System Configuration Language“ (SCLIEC 61850-6) wird die Konfiguration eines Systems bestehend aus dem einphasigen Stromlaufplan (Single Line Diagram), der Topologie zugeordnete Mess- und Steuersignale, Geräte mit den realisierten Modellen und den verwendeten Kommunikationsmechanismen in einer ganzheitlichen Darstellung beschrieben. Die Messwandler und der Austausch der Wandlerdaten wird mit den Logischen Knoten „TCTR“ und „TVTR“ (Current und Voltage Transformer) modelliert und mit dem Kommunikationsmodell „SMV“ (Sampled Measured Values) per Ethernet-Multicast in der Anlage verteilt. Einige Daten eines Leistungsschalters „XCBR“ (circuit breaker) sind in der Tabelle in Bild 3 aufgelistet.

Die Datenobjekte sind in fünf Gruppen geordnet: Beschreibung, Status, Mess- und Zählwerte, Steuerung und Sollwerte. Als wesentliches Objekt dient die Position „Pos“. Typische Zustandsinformationen eines Schaltgeräts werden durch den Logischen Knoten „SCBR“ (supervision circuit breaker) repräsentiert (Tabelle in Bild 4). Diese Daten können mittels verschiedener Kommunikationsmechanismen ausgetauscht werden. Die sogenannten Goose-Nachrichten (Generic Object Oriented System Event) bieten den Austausch kritischer Informationen im Bereich von Millisekunden. Mit einem Report können wichtige Meldungen spontan – auch über M2M – in jeden Winkel der Welt schnell und zuverlässig übertragen werden. Ein Schwerpunkt der Informationsmodellierung liegt bei den Schutzfunktionen. Eine bekannte Funktion ist der Schutz vor Wiedereinschalten bei kritischen Bedingungen beispielsweise bei zu hohen Temperaturen. Bild 5 zeigt einen Auszug aus dem Wiedereinschalt- Schutz (PMRI – Motor restart inhibition). Die vier Modelle zeigen beispielhaft operative und zustandsrelevante Informationen. Welche Informationen bei welchen Bedingungen (Zustandsänderungen, Grenzwertverletzungen, zyklisch) an wen und wie gemeldet werden müssen, entscheiden die Anforderungen der Anwendungen.

Geräte zur Datenübertragung
Wie in Bild 6 dargestellt, werden die Werte von einem Janitza Power Analyser UMG 604 von der WEB-PLC ( Beck IPC com.tom Basic 5.1) über Modbus ausgelesen, verarbeitet und mit einem „IEC-61850-Zuckerguss“ überzogen [5]. Daten von mehreren IEC- 61850-konformen Geräten können vom oberen Gerät über IEC 60870-5-104 an eine Leitstelle weitergeleitet werden. Das „com.tom Basic 3.1 S“ dient als Gateway, Datenkonzentrator, Router, Firewall und sicherer Zugang zu einer Anlage. Falls das obere Gerät ebenfalls einen IEC-61850-Server realisieren würde, dann könnten auch weitere Kommunikationsverfahren wie das Service-Tracking nach IEC 61850-7-2 angewendet werden, mit dem alle ein- und ausgehenden Nachrichten wie Befehle und Konfigurationsänderungen protokolliert würden. Die von einem „com.tom“ über Modbus ausgelesenen Signale vom Power Analyser werden in einem Standard-Webbrowser mit Logikbausteinen oder Ausgängen verbunden. In Bild 7 ist die vom Power Analyser berechnete Wirkleistung des Außenleiters L1 mit einem Ausgangsobjekt für die Fernwirkverbindung über IEC 60870-5-104 („Direct-Fan-Power“) und einem Objekt für die IEC-61850-Kommunikation (PQSrv/PQSrvLDPQ/MMXU1. TotW.mag) verschaltet. Der Wert könnte gelesen, gemeldet oder über Goose horizontal in Echtzeit an benachbarte Geräte übertragen werden.

Die Ein- und Ausgangsobjekte, die durch IEC-61850-Objekte repräsentiert sind, werden automatisch vom SCL-Dokument des Geräts abgeleitet. Sie stehen unmittelbar in der Web- PLC zur Verfügung. In der industriellen Kommunikation stehen auch für Feldbusse und M2M-Lösungen die Informationsmodelle nach IEC 61850 und IEC 61400-25 zur Verfügung, mit denen der „Gesundheitszustand“ elektrischer Energieversorgungsnetze eindeutig interpretiert und kommuniziert werden kann. Das Suchen nach einheitlichen Informationen für die elektrische Energieversorgung ist beendet. Damit ist die Gefahr von missverständlichen oder gar irreführenden Diagnosen deutlich reduziert. Viele noch notwendige „Operationen“ an den Netzen können jetzt auf sicheren und zuverlässigen Informationen aufbauen. (mh)

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Autor:
Dipl.-Ing. Karlheinz Schwarz ist Inhaber der Schwarz Consulting Company (SCC) in Karlsruhe. schwarz@scc-online.de