Automatisierung und Digitalisierung in Umspannwerken und Versorgungsnetzen

IEC 61850 für die Automatisierung von Umspannwerken

In den Energiesystemen der Zukunft werden erneuerbare, dezentrale Energieversorger auf allen Spannungsebenen eine wichtige Rolle spielen. Um die Versorgungssicherheit und einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, ist ein hoher Automatisierungsgrad erforderlich. Um das Netz zu stabilisieren oder um auf schwankende Einspeisungen reagieren zu können, muss in 400-kV-Umspannwerken und Ortsnetzstationen/Transformatorenstationen deutlich mehr Rechenleistung integriert werden.Automation and digitization in substations and utility networks

Grundvoraussetzungen für einen hohen Automatisierungsgrad sind eine zukunftssichere IT-Architektur in allen Teilen des Stromnetzes und eine gemeinsame „Sprache“ für alle Komponenten des Stromnetzes. Dies, zusammen mit einigen anderen Vorteilen, wird durch die Norm IEC 61850 erreicht. Sie definiert unter anderem:

  • das Kommunikationsprotokoll und die herstellerübergreifende Interoperabilität
  • Umgebungsbedingungen wie Temperatur, elektromagnetische Verträglichkeit und Vibration
  • Vereinfachte, zukunftssichere Verkabelung von Komponenten in Umspannwerken

IEC 61850 Architektur von Umspannwerken

Eine Schaltanlage besteht aus verschiedenen intelligenten elektronischen Einheiten (IED) für Schalter, Transformatoren oder Messgeräte. Alle diese Geräte müssen miteinander kommunizieren können. Jede von ihnen kann zeitkritische Aktionen auslösen, wie z.B. das Trennen einer Lastverbindung. Die Normenreihe IEC 61850 unterteilt diese Schaltanlagensysteme in drei Ebenen und beschreibt das Kommunikationsprotokoll zwischen den Funktionen des Schaltanlagensystems:

IEC 61850 Substation Architecture

Die Prozessebene enthält Geräte wie Schutzschalter oder Datenerfassungsgeräte für Strom, Spannung und andere Parameter. Hier wird die elektrische Energie geschaltet.

Die Feldebene besteht aus den einzelnen IEDs. Sie verarbeiten die von der Prozessebene gelieferten Daten und treffen lokale Steuerungsentscheidungen. Außerdem übermitteln sie Daten zur Weiterverarbeitung und Überwachung an das übergeordnete Steuerungs- und Datenerfassungssystem, das SCADA-System.

Die Stationsebene enthält das SCADA-System sowie Bedien- und Beobachtungsgeräte (HMIs) zur Überwachung des Betriebs einer Unterstation. Darüber hinaus erfolgt von hier aus die Anbindung an das Netzleitsystem des Netzbetreibers über verschiedene WAN-Technologien.

Kommunikationsprotokolle zwischen den einzelnen Ebenen

Die einzelnen Elemente auf den verschiedenen Ebenen einer Unterstation haben unterschiedliche Kommunikationsanforderungen. Auf den unteren Ebenen, auf der Prozessebene, sind niedrige Latenzzeiten wichtig für eine grösstmögliche Autonomie des Betriebs. Diese Anforderung besteht in der Kommunikation zwischen Feld- und Stationsebene nicht oder in abgeschwächter Form. Deshalb definiert die Norm IEC 61850 drei Formen der Kommunikation:

IEC61850 Communication protocols

MMS-Protokoll (Manufacturing Messaging Specification): Kommunikation zwischen SCADA und IEDs

Goose (Generic Object Oriented Substation Events): Horizontale, direkte Kommunikation zwischen den einzelnen IEDs

SMV (Sampled Measured Values): Vertikale Kommunikation zwischen den einzelnen IEDs

Vorteile der Norm IEC 61850 – Warum sollten Sie in ein IEC 61850-Umspannwerk investieren?

Vereinfachte Architektur

Die einzelnen Komponenten in einem Umspannwerk müssen nicht mehr mit einzelnen Kupferkabeln verdrahtet werden, sondern sind stattdessen über ein Ethernet-Netzwerk miteinander verbunden.

Digitaler Zwilling eines Umspannwerkes

Durch die Verwendung der Norm IEC 61850 ist es möglich, Stationen bereits in der Planungsphase mit dem Datenmodell zu testen. Dies vereinfacht die Planung und Inbetriebnahme des Umspannwerks.

Herstellerunabhängigkeit

Die gemeinsame Normenreihe gewährleistet die Interoperabilität zwischen Komponenten verschiedener Hersteller.

Zukunftssicheres Design

Durch die Verwendung eines Ethernet-basierten Netzwerks können bestehende Systeme leicht an zukünftige Anforderungen angepasst werden.

Hohe Zuverlässigkeit

Durch die Definition der Umgebungsbedingungen in IEC 61850-3 können die Geräte für die rauen Umgebungsbedingungen in Umspannwerken optimiert und getestet werden. Der Einsatz von Redundanztechnologien wie HSR/PRP führt zu einer höheren Verfügbarkeit und damit zu einer höheren Netzzuverlässigkeit.

Direkte Kommunikation zwischen IEDs

Goose und SMV.

IEC 61850 Server für Umspannwerke – Anwendungen und Virtualisierung

Leitsysteme befinden sich in der Regel auf der oberen Stationsebene und erfüllen dort eine Vielzahl von Funktionen. Zunächst einmal läuft hier das lokale SCADA-System (Supervisory Control And Data Acquisition), das die Prozesse in der Unterstation orchestriert und überwacht. Darüber hinaus kann verschiedene Software für die Netzqualitätsanalyse (PQ-Analyse) oder andere Protokollierungsfunktionen eingesetzt werden.

Substation Computer and the IEC 61850 Control Room

Um zu vermeiden, dass Fehlfunktionen eines Elements auf die anderen Komponenten übertragen werden, müssen die einzelnen Softwareelemente voneinander isoliert werden. Die physische Isolation, d.h. die Installation der einzelnen Softwarekomponenten auf ihren eigenen Rechnern, ist die wartungsintensivste und aufwendigste Variante. Die kostengünstigere Lösung ist daher die Trennung der Anwendungen durch Virtualisierung auf einem Rechner mit ausreichender Rechenleistung und der redundante Aufbau dieses Rechners über HSR/PRP-Netzwerke.

IEC 61850 Substation Computer – applications and virtualization

IEC 61850-3 für die Leittechnik in Umspannwerken

Teil 3 (IEC 61850-3) der Normenreihe IEC 61850 enthält detaillierte Beschreibungen der Umgebungsbedingungen und der damit verbundenen Hardware-Anforderungen in Umspannwerken. Die Einhaltung der Norm IEC 61850-3 ist daher für jede Form von Hardware in Unterstationen zwingend vorgeschrieben, um einen sicheren Betrieb der Komponenten zu gewährleisten. Die Kernelemente der definierten Umgebungsbedingungen sind:

  • Schutz gegen elektromagnetische Störungen: Ungeschützte Geräte können schnell beschädigt oder zerstört werden.
  • Schutz gegen starke Temperaturschwankungen: In einem Umspannwerk kann es im Winter bis zu -40°C kalt sein. Im Sommer können Temperaturen von bis zu +75°C auftreten. Insbesondere Computer ohne aktive Kühlung müssen daher unter besonderer Berücksichtigung des Wärmebudgets ausgelegt werden.
  • Schutz gegen Vibrationen: Die Hardware muss Erdbeben oder anderen Erschütterungen in der Umgebung standhalten können.

 

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