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Datenerhebung und Überwachung elektrischer Energieverteilungsnetze

Bild 1. Die Klein­steuerung ILC 131 ETH und das Modem sind an die Mess­wandler und Relais für die Steuerung der Straßenbeleuchtung angekoppelt

Bild 1. Die Klein­steuerung ILC 131 ETH und das Modem sind an die Mess­wandler und Relais für die Steuerung der Straßenbeleuchtung angekoppelt

Bild 2. In der Ortsnetzstation befinden sich der Trafo (vorne rechts), die Energie­verteilung für die Haushalte (vorne links), die Energieverteilung für die Straßenbeleuchtung (hinten links) sowie die Kurzschluss­über­wachung und Bedienung (hinten rechts)

Bild 2. In der Ortsnetzstation befinden sich der Trafo (vorne rechts), die Energie­verteilung für die Haushalte (vorne links), die Energieverteilung für die Straßenbeleuchtung (hinten links) sowie die Kurzschluss­über­wachung und Bedienung (hinten rechts)

Die Einspeisung regenerativer Energien sowie die wachsende Nutzung von Elektroautos bedingen eine genaue Überwachung des Energienetzes. Dieses soll nicht nur stabil laufen, sondern auch möglichst effizient betrieben werden. Das niederländische Unternehmen Enexis setzt deshalb Kleinsteuerungen von Phoenix Contact sowie eine Software- und Datenbank­lösung ein, um die relevanten Daten zu verarbeiten, zu speichern, zu bewerten und aussagekräftig darzustellen.

Während in der Vergangenheit die zuverlässige Funktion einer Maschine, Anlage oder eines Systems im Vordergrund stand, soll heute die Effizienz der Applikation gesteigert werden. Außerdem fordern die Anwender, dass jede Situation und jeder Betriebszustand aufgezeichnet und analysiert wird. Denn eine komplette Überwachung der technischen Anlage respektive des Systems erlaubt eine schnelle und anforderungsgerechte Reaktion auf kritische Ereignisse oder Überlastungen.
Das niederländische Unternehmen Enexis hat sich daher auf die Datenerhebung und Überwachung von elektrischen Energieverteilungsnetzen spezialisiert. Enexis betreibt das Energienetz in sieben Provinzen im Norden, Osten und Süden der Niederlande. Das Unternehmen ist für die Anschlüsse von etwa 2,7 Mio. Haushalten, Betrieben und staatlichen Einrichtungen verantwortlich. Insgesamt werden 44 700 km Gaspipelines, 137 200 km elektrische Kabel und 77 500 Stationen gemanagt. Darüber hinaus arbeiten die Mitarbeiter fortwährend an einem besseren, intelligenteren, effizienteren und zukunfts­gerechten Netzwerk.
In diesem Zusammenhang kontrolliert die durchgängige Überwachungs- und Visualisierungslösung die aktuellen Werte von Spannung, Strom und Energiefluss in den Ortsnetzen. Dies, weil es hier eine Herausforderung gibt, die sich in den letzten Jahren entwickelt hat: die Einspeisung von Solarenergie durch Privathaushalte. Ferner eignen sich die Ortsnetze nur bedingt für die in den Niederlanden stetig wachsende Elektromobilität. Während die PV-Anlagen Energie in das Netz liefern, sodass die Netzspannung den vorgesehenen Bereich überschreiten kann, belastet die Elektromobilität die Leitungen durch hohe Ladeströme. Dadurch bricht die Spannung entsprechend ein und führt die Leitungen und Verbindungsstellen zum Teil an ihre Belastungsgrenzen.

Bild 3. Trafo mit Strom­messwandlern an der Sekundär­seite aller drei Phasen

Bild 3. Trafo mit Strom­messwandlern an der Sekundär­seite aller drei Phasen

Bild 4. Visualisierung der aktuellen Strom- und Spannungswerte, der Leistung sowie des Leistungsfaktors

Bild 4. Visualisierung der aktuellen Strom- und Spannungswerte, der Leistung sowie des Leistungsfaktors

Bild 5. Die Gaia-Software erlaubt die Diagnose und Visualisierung des Ortsnetzes über eine Kartendarstellung

Bild 5. Die Gaia-Software erlaubt die Diagnose und Visualisierung des Ortsnetzes über eine Kartendarstellung

Integration des Niederspannungsnetz-Trafos
Um hier eine Information über die derzeitige Belastungssituation des Ortsnetzes zu erhalten, hat Enexis eine besondere Lösung erarbeitet. Mit ihr kann der aktuelle Energiefluss und die Leitungsbelastung an jeder Stelle im Netzwerk ermittelt und angezeigt werden (Bild 1). Durch die Überprüfung der relevanten elektrischen Parameter – wie Spannung, Strom, Leistungsfaktor und Energiefluss – lässt sich das Ortsnetz besser planen. Denn es ist bekannt, in welchem Ortsteil beispielsweise neue Elektroautos angeschafft worden sind, da diese durch ihre charakteristischen Eigenschaften in den aufgezeichneten und ausgewerteten Daten schnell identifiziert werden können. Anschließend kann das Netz in diesen Bereichen gezielt erweitert werden. Zudem ist eine schnelle Erkennung und Lokalisierung von Kurzschlüssen möglich, weshalb sich der Fehler umgehend beheben und somit die kontinuierliche Versorgung der Bevölkerung mit elektrischer Energie sicherstellen lässt.
Enexis bietet nicht nur eine Lösung zur Überwachung des Ortsverteilnetzes an. Seit Neustem kann auch der Trafo des Niederspannungsnetzes, der von der 10-kV- in die 400-V-Ebene umspannt, kontrolliert werden (Bild 2). An dieser Stelle kommt die Steuerungstechnik von Phoenix Contact ins Spiel. Die aktuellen Daten der drei Phasen werden von Stromwandlern aufgenommen und von einer Kleinsteuerung ILC 131 ETH aufgezeichnet. Diese kennt also den Zustand der drei Phasen des Sekundärkreises des Trafos der Ortsnetzstation (Bild 3).

Schreiben der Daten in eine SQL-Datenbank
Der Trafo versorgt neben den in der Nähe befindlichen Haushalten und Betrieben ebenfalls die Straßenbeleuchtung. Diese konnte bereits in der Vergangenheit aus der Ferne ein- und ausgeschaltet werden, die Überwachung des Leuchtmittelzustands war jedoch nicht realisierbar. Durch die Erfassung der ­relevanten Daten hat sich die Situation jetzt geändert. Aufgrund der Auswertung der Stromaufnahme können die Enexis-Mitarbeiter nun Rückschlüsse auf die Güte der installierten Leuchten ziehen und bei einer Verschlechterung – zum Beispiel beim Ausfall ­einer Leuchte – rechtzeitig einen Servicetechniker vor Ort schicken.
Da zur Analyse der anfallenden Datenmenge große Serversysteme notwendig sind, hat sich Enexis für einen externen Datenbank-Anbieter entschieden. Die Daten sämtlicher Erfassungssysteme werden beispielsweise bei einem kanadischen Datenbank-Provider gespeichert. ­Dabei handelt es sich um eine SQL-Datenbank, in welche die Kleinsteuerung ILC 131 ETH ­direkt schreibt. Dazu verwendet der Programmierer Funktionsbausteine aus der SQL-Library, die von der Homepage von Phoenix Contact heruntergeladen werden können. Auf Basis der gewonnenen Datensätze lässt sich der Zustand der Straßenbeleuchtung beurteilen. Außerdem kann der Auslastungsgrad des Trafos bestimmt werden. Überschreitet er festgelegte Grenzwerte, leitet der Servicetechniker entsprechende Maßnahmen ein oder veranlasst eine Erweiterung des Netzwerks. Andererseits kann bei einer durchschnittlich geringen Belastung auch ein kostengünstigerer kleinerer Trafo eingesetzt werden.
Enexis plant eine Ergänzung der Applikation durch Umweltsensorik, sodass sich die Beleuchtungsstärke der Straßenbeleuchtung zukünftig adaptiv regeln lässt. Derzeit wird die Straßenbeleuchtung durch die von der ­kanadischen Datenbank zur Verfügung gestellten Sonnenauf- und -untergangszeiten gesteuert. Wünschenswert wäre es allerdings, die Ein- und Ausschaltzeiten von der vor Ort vorhandenen natürlichen Beleuchtungsstärke abhängig zu machen. Auf diese Weise kann das Licht an bewölkten Tagen deutlich früher angehen und an sonnigen Tagen jeweils später.

Darstellung von Energie­fluss und Netzbelastung
Es bleibt somit festzustellen, dass sich die Effizienz von Maschinen, Anlagen und Systemen durch die Erfassung relevanter Daten erhöhen lässt. Die Datenaufnahme reicht jedoch nicht aus. Vielmehr sind die Werte anschließend genau zu analysieren. Hier liegt der Mehrwert eines sogenannten Big-Data-Ansatzes. Algorithmen, Datenbanken und Vernetzung kennzeichnen die Steuerungs- und Automatisierungstechnik der Zukunft. Grundlage dafür ist die intelligente Ankopplung der Feldebene an die überlagerte Datenspeicherung und -verarbeitung sowie eine aussagekräftige Visualisierung der gewonnenen Erkenntnisse (Bild 4).
Die von Enexis entwickelte Software Gaia bietet die richtige Lösung zur leicht erfassbaren Darstellung einer großen Datenmenge. Basierend auf den von Google Earth gelieferten Informationen kann der Anwender mit dem Tool bis in die einzelnen Straßen zoomen und sich die aktuellen und historischen Verläufe von Energiefluss und Netzbelastung anzeigen lassen. So werden die Straßenzüge mit der größten Belastung sofort erkannt. Die Enexis-Mitarbeiter detektieren, welcher Verbraucher sich an der Grenze der definierten Werte bewegt und unter Umständen eine größere Versorgungsleitung benötigt. Ersichtlich ist darüber hinaus, wo eine Solaranlage aktiv geregelt werden muss, damit sie die Stabilität des Versorgungsnetzes nicht ungünstig beeinflusst (Bild 5). (mh)

Erweiterung um bis zu 63 IO-Stationen

Die Kleinsteuerung ILC 131 ETH ist Bestandteil des ­In­line-Automatisierungsbaukastens von Phoenix Contact. Dieser umfasst Standardsteuerungen ILC 1×1 mit unterschiedlichem Funktionsumfang sowie ein Gerät mit integriertem GSM/GPRS-Modem. Zudem steht die ME-Serie speziell für den Maschinenbau zur Verfügung, die zahlreiche Schnittstellen wie RS-232/422/485, PWM-Ausgänge (Pulsweitenmodulation), analoge Ein- und Ausgänge sowie schnelle Zähler und Inkre­mentalgeber-­Eingänge bietet.
Sämtliche Steuerungen zeichnen sich durch ihre Kommunikationsfähigkeit aus. So sind viele Biblio­theken ­erhältlich, welche die Datenübertragung via Modbus, Profinet, IEC 60870-5-101/104 und SQL sowie den ­E-Mail-Versand unterstützen. Ferner kann der Anwender seine eigenen Protokolle in die SPS-Applikation implementieren. Neben der Kommunikation ist auch die ­lokale Station flexibel um bis zu 63 IO-Module erweiterbar.
Programmiert werden die Steuerungen mit der Engine­ering-Software PC Worx, die auf dem internationalen Standard IEC 61131-3 basiert. Mit PC Worx Express liegt für die Kleinsteuerungen ein kostenfreies Tool vor, das über einen reduzierten Funktionsumfang verfügt. Die Übernahme von Projekten in PC Worx ist jedoch problemlos möglich, sodass sich das Engineering den wachsenden Anforderungen der Applikation anpassen kann.

Dipl.-Ing. Michael Gulsch ist im Produktmarketing PLC für die Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont tätig. mgulsch@phoenixcontact.com

Dipl.-Ing. Michael Gulsch ist im Produktmarketing PLC für die Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont tätig. mgulsch@phoenixcontact.com