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Smarte Gateways für das Smart Grid

Bild 1. Durch die verschiedenen Schnittstellen lassen sich die Fernwirkgateways für unterschiedliche Anwendungen einsetzen

Bild 1. Durch die verschiedenen Schnittstellen lassen sich die Fernwirkgateways für unterschiedliche Anwendungen einsetzen

Bild 2. Bei den Anybus-SG-Gateways – hier die Profinet-Version – lassen sich kundenspezifische Anwendungen mit dem integrierten Web-Editor mit logischen Funktionsbausteinen leicht per Drag-and-drop konfigurieren

Bild 2. Bei den Anybus-SG-Gateways – hier die Profinet-Version – lassen sich kundenspezifische Anwendungen mit dem integrierten Web-Editor mit logischen Funktionsbausteinen leicht per Drag-and-drop konfigurieren

Mit Fernwirkgateways werden Komponenten und Anlagen des Stromnetzes steuerbar. Der Einsatzbereich ist breit gefächert. Beispielsweise ermöglichen sie den Stadtwerken die Migration in zukünftige Smart Grids.

Die Durchdringung der erneuerbaren Energien, hauptsächlich Photovoltaik und Windkraft, lag in Deutschland in 2015 bei 32,5% – 5 % mehr als im Jahr davor. In zehn Jahren soll die Penetration der erneuerbaren Energien bei 40 % bis 45 % liegen. Die erfolgreiche Integration der regenerativen Energien bedarf die Steuerbarkeit aller Komponenten, die zur Stabilität des Stromnetzes beitragen.
Fernwirkgateways ermöglichen das Fernwirken und Fernwarten elektrischer Systeme, das Steuern und Überwachen von Anlagen, Systemen und Prozessen im Feld, das Protokollieren von Anwendungsdaten oder Energieverbräuchen sowie die Darstellung von Daten oder
Betriebszuständen (Bild 1). Sie werden vor allem bei Stadtwerken oder Verteilnetzbetreibern verwendet, die für die Versorgungssicherheit in ihrem Gebiet und für die Netzstabilität zuständig sind. Oft tragen diese die Anforderung an die Zulieferer und Komponentenhersteller weiter, damit deren Geräte (zum Beispiel Wechselrichter, Batterien, Notstromaggregate oder BHKW) nahtlos an das Stromnetz angeschlossen werden können.

Retrofitting von bestehenden Anlagen
Die Vernetzung einer bestehenden Anlage ist der typische Anwendungsfall für Fernwirkgateways bei den Stadtwerken. Beispielsweise werden Gasturbinen, Blockheizkraftwerke oder Notstromaggregate mit Fernwirkgateways ausgestattet, damit diese Anlagen aus der Leitwarte fernsteuerbar werden. Typischerweise kommt dabei ein Fernwirkprotokoll nach IEC 60870-5-104 zum Einsatz. Eine besondere Rolle spielt dabei die IT-Sicherheit, da der Zugang auf die Anlage nur für die eigene Leitwarte möglich sein soll. Aus diesem Grund wird aus der Anlage oft ein VPN-Tunnel zur Leitwarte aufgebaut. Die Kommunikation erfolgt dann ausschließlich über die sichere VPN-Verbindung.

Ausstattung von Neuanlagen
Der Einsatzbereich von Fernwirkgateways ist breit gefächert. Egal ob es sich um Transformatoren, Batterien, Wechselrichter oder eine andere Komponente handelt, bei Neuinstallationen verlangen Stadtwerke die Steuerbarkeit der Geräte. Diese enthalten viele Datenpunkte und Parameter, die auf der Leitwarte für die Stabilität des Stromnetzes relevant sind. Regelbare Ortsnetztransformatoren sind dafür zuständig Spannungsbandverletzungen (größer als ±10 % der Nennspannung) im Niederspannungsbereich zu vermeiden. Da Photovoltaikanlagen im NS-Netz einspeisen, können sie bei sonnigen Tagen die Spannung über die erlaubte Obergrenze erhöhen. In dieser Situation muss das Stadtwerk das Verhältnis der Oberspannungs- und Unterspannungswicklungen so schalten, dass das Spannungsband eingehalten wird.
Mit dem neuen Vergütungsmodell des EEG wächst das Geschäftsmodell der Batterien, da sich die Einspeisung der von der PV-Anlage auf dem Dach generierten Energie finanziell nicht immer lohnt. Die Batterien müssen jedoch sowohl mit der Leitwarte der Stadtwerke für die Bereitstellung von Regelenergie über Fernwirkprotokolle kommunizieren, als auch mit dem lokalen Scada- oder Gebäudeleitsystem. In der Fabrik müssen die Batterien über Feldbusse oder Industrial Ethernet mit den SPS vernetzt werden. Im kommerziellen Gebäude müssen Standards aus der Gebäudetechnik wie BACnet unterstützt werden.
Auch Hersteller von Blockheizkraftwerken, Wechselrichtern und anderen Geräten haben Bedarf an Multiprotokoll-Gateways. In der Regel bieten diese Geräte eine Modbus-Schnittstelle an, die von Protokollumsetzer auf den Fernwirkprotokollen und ggf. auf weitere Protokolle der Automatisierungs- und Gebäudetechnik übersetzt werden soll.

Demand Response und virtuelle Kraftwerke
Betreiber von innovativen Geschäftsmodellen im Energiemarkt, wie Lastmanagementanwendungen und virtuelle Kraftwerke, stellen einen weiteren Use Case für Fern­wirkgateways dar. Diese Firmen vernetzen mit Fernwirkgateways dezentrale Erzeuger, etwa von Biogas-, Kraft-Wärme-Kopplungs- (KWK), Windenergie-, Solar- und Wasserkraftanlagen, und dezentralen Lasten (zum Beispiel ­Wärmepumpen, Prozesserhitzer, Batteriespeicher) zum Zweck der Übernahme von Systemdienstleistungen, beispielsweise zur Bereitstellung von Regelenergie.
Ein virtuelles Kraftwerk kombiniert dezentrale Energieanlagen zu einem vernetzten, flexibel regelbaren und zentral gesteuerten Anlagensystem, und ermöglicht den Ausgleich von Schwankungen durch das koordinierte Zusammenwirken der dezentralen Energieressourcen und Lasten. Beispielsweise können BHKW Strom ins Netz einspeisen, wenn die erneuerbaren Energieanlagen gerade zu wenig produzieren, und die Wärmepumpen können überflüssigen Strom aus dem Netz entnehmen, wenn die erneuerbaren Energieanlagen zu viel Strom erzeugen. Über eine zentrale Leitwarte werden alle im virtuellen Kraftwerk vernetzten und regelbaren Anlagen angesprochen. Die Kommunikation zwischen den Energieanlagen und der Leitwarte erfolgt über den Kommunikationsstandard „VHPready“, der die Datenpunkte der Energieanlagen über das IEC-60870-5-104-Fernwirkprotokoll festgelegt.
Um diese Anwendungsfälle zu erschließen, hat HMS die Produktfamilie der Anybus SG-Gateways (Bild 2) entwickelt. Diese kommunizieren mit der Leitwarte über das Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-104 oder mit dem modernen Standard IEC 61850. Für die Kommunikation mit der lokalen SPS im Feld steht eine Anybus-Compactcom-Schnittstelle zur Verfügung, mit der jede beliebige Feldbus- oder Industrial-Ethernet-Technologie unterstützt wird – aktuell Profibus, Profinet und Ethernet/IP. Dadurch hat man einen universellen Schlüssel, um mit der SPS zu kommunizieren. Darüber hinaus werden Modbus, M-Bus und mehrere digitale IO unterstützt, um beliebige Geräte im Feld anzuschließen. Die Konfiguration des Gateways und die Programmierung der Applikation erfolgen über eine grafische, webbasierte Benutzeroberfläche. Durch intuitives Drag-and-drop werden die Signale und Datenpunkte miteinander verknüpft. Die Mischung mehrerer Protokolle in einer Applikation ist ebenfalls möglich. (no)

David Garcés ist Solution ­Architect im HMS Labs der HMS Industrial Networks GmbH in Karlsruhe. dag@hms-networks.de

David Garcés ist Solution ­Architect im HMS Labs der HMS Industrial Networks GmbH in Karlsruhe. dag@hms-networks.de