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Steuerungsintegrierte Lösung für Netzmessung und Schutz

(Quelle: vikea - Fotolia)

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Bild 1. Das Grid Measurement and Protection Module GMP232/x von Bachmann bietet Netzmessung und Schutz in einem Modul

Bild 1. Das Grid Measurement and Protection Module GMP232/x von Bachmann bietet Netzmessung und Schutz in einem Modul

Bild 2. Die steuerungsintegrierten Energiemessmodule von Bachmann ermöglichen die zuverlässige und schnelle Erfassung aller wesentlichen Netzgrößen für unterschiedliche Anwendungsfälle – von der Betriebsmessung direkt in der Maschineneinheit über das Monitoring ganzer Verteilfelder bis hin zur übergeordneten Power-Quality-Überwachung, dem Anlagenschutz oder der Synchronisation von Erzeugungsanlagen

Bild 2. Die steuerungsintegrierten Energiemessmodule von Bachmann ermöglichen die zuverlässige und schnelle Erfassung aller wesentlichen Netzgrößen für unterschiedliche Anwendungsfälle – von der Betriebsmessung direkt in der Maschineneinheit über das Monitoring ganzer Verteilfelder bis hin zur übergeordneten Power-Quality-Überwachung, dem Anlagenschutz oder der Synchronisation von Erzeugungsanlagen

Klassische Steuerungssysteme in energietechnischen Anlagen werden seit vielen Jahren von kosteneffizienter SPS-Technik dominiert. Während für einfache Anwendungen im Energie-Monitoring erste Module für die Steuerungswelt verfügbar sind, kommen für hochdynamische Netzmessung, digitalen Schutz, Versorgungsqualität oder Störungsanalyse bislang dezidierte, dezentrale Einheiten aus der klassischen Energietechnik zum Einsatz. Welches Potenzial in der steuerungsintegrierten Netztechnik steckt, zeigt das in das M1-Automatisierungssystem eingebettete Netzmessungs- und Überwachungsmodul GMP232/x von Bachmann.

Für echte Netzexperten waren die Portfolios der Steuerungshersteller in der Vergangenheit wenig interessant. Baugruppendesigns mit Fokus auf Energiedatenerfassung für den Niederspannungsbereich oder für Laboranwendungen sind für den professionellen Einsatz an Erzeugungsanlagen oder Übertragungskomponenten nicht geeignet.
Dies beginnt bei technischen Eigenschaften, wie Störfestigkeit, Messbereichen und Überlastfähigkeit, vorhandenen energietechnischen Berechnungen sowie Messdynamik und endet bei interna­tional zertifizierten Schutzfunktionen. Somit darf es nicht verwundern, wenn verantwortungsbewusste Energietechniker lieber auf bewährte Spezialprodukte zurückgreifen und keine Versuche hinsichtlich steuerungsinte­grierter Lösungen unternehmen.

Steuerungsintegrierte Netzerfassung
Die Module der neuesten Familie GMP232/x (Bild 1) von Bachmann bieten – integriert in das M1-Automatisierungssystem – eine All-in-one-Lösung zur Messung und Überwachung elektrischer Drehstromnetze. Sie lassen sich an beliebigen Stellen innerhalb des modularen Steue­rungssystems auf Haupt- oder dezentralen Unterstationen platzieren (Bild 2). Alle Mess-, Berechnungs- und Status­informationen des Moduls stehen für Anwenderprogramme auf der CPU zur Verfügung. Dies ermöglicht sowohl die Kombination von Anlagensteuerung und Netztechnik als auch die Realisierung von frei programmierbaren und kommunikationstechnisch hoch flexiblen Netzerfassungspunkten in einer kompakten modularen Einheit.
Die Spannungsmessung kann bis 690 V direkt erfolgen, darüber hinaus ist eine Schnittstellenvariante für Wandler bis 120 V Nennwert vorgesehen. Für die Strommessung werden die üblichen Wandler für 1 A oder 5 A eingesetzt. Erweiterte Messbereiche bis zu 340 % U N bzw. bis zu 400 % I N und noch deutlich größere Überlastbereiche prädestinieren die Baugruppe für Anwendungen direkt an Erzeugungseinrichtungen und in höheren Spannungsebenen. Mit der gegebenen Genauigkeit von 0,1 % vom Spannungs-/Stromnennwert liegen die neuen Module über bisher üblichen industrietauglichen Lösungen.

Normkonforme Berechnungsfunktionen
Die GMP232/x-Module stellen die Netzdaten nach unterschiedlichen Berechnungsvarianten parallel zur Verfügung. Somit können aufgabenbezogen, die jeweils besser geeigneten Größen eingesetzt bzw. einer normativen oder kundenbezogenen Forderung Rechnung getragen werden.
Die Ermittlung von Effektivwerten, Leistungen und Leistungsfaktoren kann wahlweise nach DIN 40110-2 auf Basis der Grundschwingungs- oder der spektral vollständigen Größen erfolgen. Parallel dazu liefert das GMP232/x diese Werte nach DIN EN 61400-2, also basierend auf dem online berechneten Mitsystem der Grundschwingungsgrößen. Durch die vollständige Zerlegung in symmetrische Komponenten sind auch Gegensystem und Nullsystem für Strom und Spannung gleichzeitig verfügbar. Zwei unabhängige Vier-Quadranten-Zähler summieren die Energiedaten getrennt für Grundschwingungsgrößen und die oberschwingungsbehafteten Eingangsgrößen.
Die Frequenzmessung wurde speziell auf die Einflüsse im Umfeld von Umrichtern und auf übliche Netzfehler ausgelegt. Anwendungen können, je nach Bedarf, auf ­direkte hochdynamische Frequenzdaten oder auf ­störungsunterdrückte bzw. gemittelte Frequenzdaten zugreifen. Die gebotene Genauigkeit von 1 mHz und die Auflösung von 0,1 mHz bieten dabei genügend Reserven, um aktuelle und zukünftige Netzanschlussvorschriften abzudecken.

Autonomer Schutz
Aus den 40 parametrierbaren Überwachungsfunktionen der GMP232/x-Module lässt sich die jeweils gewünschte Kombination für Netz- und Anlagen-Eigenschutz einrichten. Alle entsprechend gängiger Netzanschlussbedingungen geforderten Schutzfunktionen sind darin enthalten – vom mehrstufigen zeitunabhängigen Spannungs- und Frequenzschutz über Q(U)-Regelung bis hin zur Phasensprungüberwachung. Auch die zeitabhängigen Funktionen für LVRT und HVRT (Low/High Voltage ­Ride Through) lassen sich über Stützpunkte konfigurieren. Der integrierte zeitabhängige Frequenzschutz bietet insbesondere für den Anlagen-Eigenschutz sensibler Komponenten eine zuverlässige und einfache Alternative zu „handgestrickten“ Lösungen im Anwenderprogramm.
Zahlreiche Einstellungsoptionen für die Quellgrößen, wie „TrueRMS“ oder Grundschwingungsdaten, Bezug auf Nenngröße oder aktuelles Mitsystem, sowie zeitlich ­befristete Auslöseblockierungen, zum Beispiel bei Unterspannung oder starker Asymmetrie, erleichtern die Handhabung. Im Modul integrierte Relaisausgänge ermöglichen die direkte Schaltung von zwei Auslösekreisen, unabhängig vom übrigen SPS-System.
Die Verfügbarkeit aller Statusinformationen des autonomen Schutzsystems im Anwenderprogramm der SPS ist die Basis für eine optimale Anpassung der Betriebsführung. So lassen sich beispielsweise ein anlagenschonender Betrieb und die Datenweitergabe an übergeordnete Schutzgeräte oder Leitsysteme realisieren. Auch eine transparente Vor-Ort-Visualisierung, die zu einer rascheren Störungsbehebung beiträgt, kann auf Basis dieser Informationen umgesetzt werden.

Echtzeit-Störschreiber und Ereignisprotokoll
Direkt am Entstehungsort der Daten ist ein Echtzeit-Datenrekorder integriert. Dieser erfasst bei Schutzauslösung automatisch die Zeitverläufe gewünschter Netzgrößen mit bis zu 10-kHz-Auflösung. Durch die Pre-Trigger-Funktion ist es möglich, auch die zeitliche Vorgeschichte eines Störfalls festzuhalten. Aufzeichnungen lassen sich überdies manuell durch einen Anwender oder automatisiert über ein SPS-Programm anstoßen. Die Datensätze können im Comtrade-Format (IEEE Std. C37.111) abgespeichert oder fernübertragen werden.
Zusätzlich zeichnet das Modul alle Überwachungsereignisse in einem Ereignisprotokoll mit extern synchronisierbarem Zeitstempel (PTP, SNTP) auf. Dies ­ermöglicht die gemeinsame Analyse von mehreren, anlagenseitig oder geografisch getrennten Systemen zwecks Aufklärung von Netzstörungen. Der netzausfallssichere Protokollspeicher ist nicht nur über das Engineering-Werkzeug „SolutionCenter“ zugänglich, sondern kann ebenfalls mittels Anwenderprogramm ausgelesen und weiterverwertet werden.

Netzqualität im Fokus
In die Bachmann-Module ist standardmäßig eine Einheit zur permanenten Analyse der Harmonischen Amplituden bis zur 50. Oberschwingung gemäß DIN EN 61000-4-7 integriert. Die Einzelharmonischen aller drei Ströme und Spannungen stehen dabei sowohl als Messwerte im Anwendungsprogramm als auch als Eingangsgröße für eine automatische Überwachungsfunktion zur Verfügung. ­Eine solche kann beispielsweise zur Auslösung einer Zeitreihenaufzeichnung, eines Fernalarms oder für eine ­lokale Statistik zur Ermittlung von Häufigkeit und Zeitanteil solcher Störsituationen dienen.
Darüber hinaus liefert die Berechnung der unterschiedlichen Klirrfaktor-Kennwerte (THD, THDn, TDD) vereinfachte Überblickswerte, die ebenfalls als Eingangsgröße für eine Überwachungsfunktion verwendet werden können. Die Funktion „Netzstatistik“ überwacht permanent mehrere Dutzend gemessener und berechneter Größen auf Extremwerte (Minimalwert, Maximalwert). Der jeweils höchste Wert wird automatisch mit Millisekunden-Zeitstempel abgespeichert. Durch die jederzeit mögliche Rücksetzbarkeit im Anwenderprogramm lassen sich so unterschiedliche Statistiken gestalten.

Datenverdichtung und Kommunikationsvielfalt
Um übergeordnete Systeme, wie Leitstände und Zentraldatenerfassung, nicht mit enormen Datenmengen zu belasten, können die GMP232/x-Module eine interne Datenaggregation vornehmen. Neben den hochdynamischen Online-Werten sind daher auch Mittelwert, Minimum und Maximum über einstellbare Intervalle verfügbar. Durch die Berechnung dieser Verdichtung direkt auf Quelldatenebene können die Geräte beispielsweise direkt 10-min- oder 15-min-Werte bereitstellen.
Eine besondere Stärke der steuerungsintegrierten Netztechnik stellt die Vernetzbarkeit dar. Über die CPU-Module und ihre Schnittstellen lassen sich alle gängigen Fernwirkprotokolle wie solche nach der Normenreihe DIN EN 61850, der DIN EN 61400-25, der DIN EN 60870-5-103 bzw. -104, DNP3 oder Modbus einrichten. Auch Ethernet- und Feldbuskommunikation gemäß Profibus, Profinet, Ethercat, CAN oder Devicenet kann damit zur Weitergabe von Netzdaten verwendet werden. Sind nur diskrete Signal-Schnittstellen wie 4 mA…20 mA, ±10 V oder proprietäre serielle Kommunikation möglich, lassen sich die entsprechenden Module hinzufügen.

Einfache Konfiguration und Bedienung
Die Parametrierung der Module erfolgt, wie im M1-System üblich, über die PC-Software „SolutionCenter“. Alle Grundprinzipien bleiben für den Steuerungstechniker gleich. Auch ohne Anwendungsprogramm stehen die Daten eines angeschlossenen Netzes dort sofort zur Verfügung und erleichtern somit die Einrichtung. Grafische und tabellarische Anzeigen unterstützen in Entwicklung, Inbetriebnahme und im Servicefall. So ist es beispielsweise möglich, bestehende Konfigurationen von Schutzgeräten mit der vorhandenen Parametrierung einer online verbundenen Steuerung zu vergleichen und alle Unterschiede zu markieren.
Die Visualisierungssoftware „webMI pro“, die sich ­direkt in das M1-System integrieren lässt, ermöglicht die Gestaltung von vollgrafischen Anzeige- und Bedienseiten im Webbrowser. Je nach Kundenforderung können somit individuell zusammengestellte Informationen speziell zu den Netzdaten oder als Teil einer Anlagenvisualisierung angeboten werden.

Anlagenintegration mit Synergieeffekten
Die Module stellen eine ausgereifte Lösung für steuerungsintegrierte Netztechnik dar. Durch ihre Einbettung in das M1-Automatisierungssystem verbinden sie hohe Leistungsdaten, breiten Funktionsumfang und Flexibilität mit kosteneffizientem Design. Mit einem Einsteckmodul für die SPS können Anwender somit ein breites und bisher nur Spezialsystemen vorbehaltenes Einsatzspek­trum abdecken. Dieses reicht von Windenergieanlagen über Blockheizkraftwerke, Wasserkraftwerke, Photovoltaikanlagen bis hin zu maritimen aber auch industriellen Anwendungen.
Durch die Zusammenarbeit von Energietechnik- und Automatisierungsexperten ist die Übertragung weiterer Funktionen, die in der Steuerungswelt bereits üblich sind, auf den Netzbereich denkbar: Fernwartungszugang, eingebaute Security mit Benutzer- und Parameterverwaltung.
Das hohe Maß an Datentransparenz und die Möglichkeit, die Kommunikationskanäle der Steuerung gleich mit zu nutzen, bildet die Voraussetzung dafür, die vielen Zusatzinformationen des Moduls GMP232/x bis hinauf in Leitstände oder globale Serviceportale zu übertragen. Das heißt, die Datentiefe wird auch für andere Benutzergruppen zugänglich und somit erst zum weiteren, im Sinne von Big Data vielleicht noch größeren, Mehrwert. (ih)

Matthias Schagginger ist Senior Manager Product Line Management bei der Bachmann Electronic GmbH in Feldkirch/Österreich. E-Mail: info@bachmann.info