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01 Mit Axioline F steht ein für die Energietechnik geeignetes IO-System zur Verfügung

IO-System für die Energietechnik

02 Die IO-Station lässt sich einfach über das Webinterface parametrieren

03 IO-Systeme dienen unter anderem der Überwachung und Steuerung von Transformatoren

04 Das für die Kommunikation gemäß IEC 61850 entwickelte IO- System Axioline F wird durch passende Infrastruktur-Komponenten ergänzt

Die Energiewende in Deutschland, aber auch die globalen Notwendigkeiten zum Klima- und Ressourcenschutz stellen die Gesellschaft sowie die Energiewirtschaft vor große Herausforderungen. Mit der IEC 61850 ist daher eine internationale Norm zur einheitlichen Gestaltung von Kommunikationsnetzen und -systemen geschaffen worden, die das IO-System Axioline F von Phoenix Contact unterstützt.

Faktoren wie den steigenden Energiekosten, der Knappheit wichtiger Ressourcen sowie den wachsenden CO2- Emissionen kommen weltweit eine erhebliche Bedeutung zu. Um Privatpersonen und Unternehmen auch zukünftig nachhaltig und sicher mit Energie versorgen zu können, bedarf es neuer Energiekonzepte und Systemansätze. Dazu gehört das sogenannte Smart Grid. Ein solch intelligentes Netz ermöglicht eine optimale Anpassung von Energieerzeugung, -verbrauch und -speicherung. Zur Umsetzung des Smart Grids ist allerdings neue Technologie erforderlich. Nur dann lässt sich die Energie flexibel und zuverlässig gemäß dem aktuellen Bedarf bereitstellen. Aufgrund des steigenden Anteils der Energieproduktion aus erneuerbaren Quellen sowie der stetigen Zunahme von kleinen dezentralen Kraftwerken wird die Notwendigkeit einer systemweiten einheitlichen Kommunikation ersichtlich.

Herstellerunabhängigkeit und Interoperabilität
An dieser Stelle spielt die IEC 61850 „Kommunikationsnetze und -systeme für die Automatisierung in der elektrischen Energieversorgung“ eine entscheidende Rolle. Auf der Grundlage des Standards und der darin definierten objektorientierten Datenübertragung ist es erstmals möglich, komplexe Vorgänge und Geräte für alle Teilnehmer im Kommunikationsnetz verständlich zu beschreiben. Ein wesentlicher Grundsatz der IEC 61850 liegt unter anderem in der Herstellerunabhängigkeit und Interoperabilität der Geräte untereinander. Auf diese Weise wird die bisher verbreitete Schnittstellenvielfalt reduziert. Darüber hinaus sind die Anwender nicht mehr von einem Hersteller und dessen proprietärer Ausführung der Automatisierungslösung abhängig. Die Interoperabilität beschränkt sich nicht nur auf den Datenaustausch, der auf einer standardisierten Ethernet- Technologie basiert. Der Engineering-Prozess ist ebenfalls eindeutig festgelegt. Hier greift der Anwender auf vordefinierte Funktionseinheiten zurück, die in einem hierarchischen Datenmodell in Form einer lesbaren Textdatei beschrieben sind. Diese SCL-Dateien (Substation Configuration Language) bilden die Grundlage für ein vereinfachtes Anlagen-Engineering. In der IEC 61850 sind außerdem die Anforderungen an die Geräte formuliert. Komponenten, die in Energieanlagen betrieben werden, müssen den besonderen Umgebungsbedingungen in diesen Bereichen standhalten können und zu jedem Zeitpunkt verfügbar sein. Nur so lässt sich eine stabile Energieversorgung sicherstellen. Neben einer erhöhten Störfestigkeit wird auch eine hohe Stoß-Spannungsfestigkeit der Geräte gefordert, was mit den ESD- (Electrostatic Discharge), Burst- und Surge-Prüfungen gegeben ist.

Unterstützung der MMS- und Goose-Kommunikation
Erfolgt die Kommunikation gemäß IEC 61850, kommt den eingesetzten IO-Systemen eine wichtige Aufgabe zu. Bevor die Anlage geplant wird, stellen sich wesentliche Fragen, so beispielsweise wie die einfache und effiziente Erfassung respektive Ausgabe der anfallenden Signale erfolgt. Ferner ist zu klären, auf welche Weise die Vorteile, die sich aus der Objektorientierung der Norm ergeben, in das Engineering der gesamten Station integriert werden können. Mit dem IO-System Axioline F für die Kommunikation gemäß IEC 61850 hat sich Phoenix Contact dieser Herausforderungen angenommen. Die speziell für die beschriebenen Anwendungen entwickelten IO-Module stellen dies unter Beweis (Bild 1). Denn das IO-System zeichnet sich durch eine schnelle Datenübertragung, einen robusten Betrieb sowie die einfache Handhabung während des Engineering und der Inbetriebnahme aus. Kurze Reaktionszeiten sind eine grundlegende Voraussetzung für die stabile Energieversorgung. Daher unterstützt Axioline F sowohl die MMS-Kommunikation (Multimedia Messaging Service) mit dem Leitsystem als auch die schnelle, Event-gesteuerte Goose-Übertragung (Generic Object Oriented System Event) zum direkten Austausch von Informationen zwischen den Endgeräten (Servern). So werden zeitkritische Signale ohne Umweg über das Leitsystem schnellstmöglich an alle Teilnehmer weitergeleitet.

Engineering ohne spezielle Tools
Der größte Vorteil liegt jedoch in der einfachen Handhabung des Systems, ohne die benötigte Robustheit zu vernachlässigen. Die speziell auf diese Industrieumgebung abgestimmten IO-Module für digitale Eingänge und Relais-Ausgänge bis zu einer Nennspannung von DC 220 V verfügen über eine Stoßspannungsfestigkeit von 5 kV. Trotzdem lassen sich die Module nach Wunsch innerhalb der IO-Station anordnen, ohne dass besondere Segmente, zum Beispiel mit Trennscheiben, aufgebaut werden müssen. Das erlaubt eine flexible Zusammenstellung der Station mit einer beliebigen Platzierung der Steuer-, Melde- oder Analogmodule. Genauso flexibel gestaltet sich die Zuordnung der Klemmstellen zu den Attributen der IEC 61850: entweder über ein Webinterface oder – wie bei den anderen Konfigurationsdateien – mit einer einfachen Textdatei. Für das komplette Engineering der IO-Station sind keine speziellen Tools notwendig (Bild 2). Die vollständige Parametrierung erfolgt über den Austausch der Konfigurationsdateien der IEC 61850. Zu diesem Zweck steht ebenfalls das Webinterface zur Verfügung. Der Anwender muss also nicht programmieren. Der Nachweis der Konformität der Kommunikation mit der Norm sorgt für Sicherheit beim Einsatz einzelner Geräte oder Systeme. Nur auf diese Weise können alle Teilnehmer im System problemlos Daten untereinander austauschen. Ein Zertifikat der Kema-Prüfstelle bescheinigt Axioline F diese Konformität. Der Anwender erhält damit die Bestätigung, dass das System eine 100-prozentige Interoperabilität gemäß IEC 61850 aufweist.

Einsatz in allen Bereichen der Energieerzeugung
Die IEC 61850 kann auf sämtlichen Ebenen der elektrischen Energieversorgung angewendet werden. Dazu zählt auch die Energieerzeugung – unabhängig davon, ob es sich dabei um konventionelle Großkraftwerke oder die elektrische Energie aus regenerativen Quellen, wie Photovoltaik- oder Windenergieanlagen, handelt. Mit der Einführung der digitalen Schutztechnik besteht nun die Möglichkeit, ein Ereignis und den Zeitpunkt seines Auftretens per Kommunikation gemäß IEC 61850 an die Hauptleittechnik zu übertragen und zur Millisekunden-genauen Fehleranalyse zu nutzen. Dies ist vor allem wichtig, damit der Ursprung einer Störung schnell und eindeutig identifiziert werden kann. Im Bereich der Niederspannungsschaltanlagen fallen ebenfalls vielfältige Signale zur Steuerung der Sammelschienen an. Darüber hinaus finden sich in Übertragungs- und Verteilnetzen zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Hier können Transformatoren überwacht werden, um Wartungen zu planen, Warnungen zu verarbeiten oder Störungen zu melden (Bild 3). Ortsnetzstationen fällt unter anderem die Aufgabe zu, die Energie, die von den dezentral installierten regenerativen Anlagen erzeugt wird, in das Netz einzuspeisen. Ein regelbarer Ortsnetztransformator sorgt dafür, dass das Spannungsband von ±10 % eingehalten wird. Seine Ansteuerung kann ebenso über ein gemäß IEC 61850 zertifiziertes IO-System erfolgen.

Fazit
Mit der IEC 61850 ist ein internationaler Standard für alle Ebenen der elektrischen Energieversorgung geschaffen worden. Das Axioline F-System bietet sich in diesem Umfeld zur normkonformen Erfassung und Weiterleitung der relevanten Daten an die Leitzentrale an. Damit leistet es einen Beitrag zu einem stabilen, hoch verfügbaren Energienetz (Bild 4). (mh)

IO-Lösung im Überblick
Das IO-System Axioline F von Phoenix Contact eignet sich für die Anforderungen der Energieversorgung. Die in modularer Blockbauweise für den Schaltschrankeinbau entwickelte Lösung überzeugt durch eine schnelle Reaktionszeit und Installation. Axioline F zeichnet sich außerdem durch eine robuste Mechanik, ein gutes EMV-Verhalten sowie die einfache Handhabung aus. Mit der Schnellanschlusstechnik Push-in und den abnehmbaren Steckverbindern lässt sich das System innerhalb kurzer Zeit verdrahten. Vor diesem Hintergrund bietet sich Axioline F für anspruchsvolle Automatisierungsaufgaben in rauen Umgebungen an, in denen es auf eine zuverlässige, intuitiv bedienbare Lösung ankommt. Das Produkt- Portfolio umfasst neben digitalen und analogen Funktionen in verschiedenen Bauformen auch Sonderfunktionen, wie Temperaturmodule.

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Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Harald Grewe ist im Market Management IO Systems für die Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont tätig.
hgrewe@phoenixcontact.com