Ethernet-Kommunikation Mehr Netzstabilität durch intelligente IP-Vernetzung

Autor / Redakteur: Rüdiger Peter* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Kommunale Versorger sind auch für die Netzstabilität verantwortlich. Zur Vermeidung von Beeinträchtigungen und Störungen ist eine umfassende Überwachung der Netze notwendig. Deshalb setzen die Stadtwerke Bad Pyrmont Ethernet-Extender von Phoenix Contact ein, die Status-, Warn- und Fehlermeldungen zuverlässig an die Leitwarte kommunizieren.

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Ohne intelligente und leistungsfähige Netze gibt es keine Energiewende. Die Stadtwerke Bad Pyrmont haben die Herausforderung angenommen.
Ohne intelligente und leistungsfähige Netze gibt es keine Energiewende. Die Stadtwerke Bad Pyrmont haben die Herausforderung angenommen.
(Bild: Phoenix Contact)

„In Zukunft werden wir unser Netz intelligent gestalten müssen, um die konventionell und regenerativ erzeugte Energie besser im Versorgungsgebiet zu verteilen“, fasst Frank Jakob, Abteilungsleiter Netzleittechnik und Energiedaten-Management bei den Stadtwerken Bad Pyrmont, die anstehenden Aktivitäten zusammen. Außerdem kommt dem Datenschutz eine immer größere Bedeutung zu, denn durch das EEG-Management fallen mehr sowie sensible Daten an, die an die Leittechnik übertragen werden müssen. Daher ist bereits heute der Trend zu einer End-to-End-Verschlüsselung festzustellen. Die Daten werden somit schon an der beispielsweise im Blockheizkraftwerk verbauten Steuerung verschlüsselt und erst am Leitrechner in der Netzleittechnik wieder entschlüsselt. Dazu wird in der Regel ein so genannter VPN-Tunnel (Virtual Private Network) verwendet.

Die geschilderte Situation stellt insbesondere kleinere kommunale Unternehmen vor einige Herausforderungen. Waren sie in den 1950er und 1960er Jahren lediglich für die Versorgung mit Gas, Wasser und Strom zuständig, liegt die Netzstabilität jetzt ebenfalls in ihrem Verantwortungsbereich. Ergänzend zu den Ansätzen der Bundesregierung haben der Verband Kommunaler Unternehmen e.V. (VKU) und der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. (bdew) hier gemeinsam einen Kommunikations- und Anwendungs-Leitfaden zur Umsetzung der Systemverantwortung gemäß §§ 13 Abs. 2, 14 Abs. 1 und 14 Abs. 1c des EnWG entwickelt – den „Praxis-Leitfaden für unterstützende Maßnahmen von Stromnetzbetreibern“.

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Lastabschaltung und Einspeiseregelung durch EEG-Management

Mit Blick auf den EU-Binnenmarkt und die Strombörsen ermächtigte die Bundesregierung die Bundesnetzagentur bereits 2005 zur Regulierung der Übertragungsnetzbetreiber. Deshalb verkauften die damaligen Stromkonzerne ihre entsprechenden Unternehmensteile. Aktuell tragen daher neben Stromversorgern wie EnBW, E.ON, RWE und Vattenfall die Übertragungs- und Transportnetzbetreiber Ampirion, Tennet TSO, Transnet BW und 50 Hertz Transmission Sorge für die Netzstabilität in Deutschland. Gleiches gilt für die nachgelagerten Verteilnetzbetreiber, also die kommunalen Unternehmen, die die Versorgung der Endkunden übernehmen.

Darüber hinaus ist in den letzten Jahren das Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) immer wieder durch Änderungsgesetze erweitert und angepasst worden. Das EnWG verpflichtet nicht nur die Verteilnetzbetreiber zur unverzüglichen Lastreduzierung, wenn der Übertragungsnetzbetreiber dies verlangt (kaskadierte Lastabschaltung), sondern berücksichtigt seit 2011 auch Maßnahmen im Rahmen der Energiewende. „Die Modernisierung und Digitalisierung des Verteilnetzes müssen vorangebracht werden. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung, um den wachsenden Anteil von Erneuerbare-Energien-Anlagen in die Netzstrukturen zu integrieren. Ohne intelligente und leistungsfähige Netze gibt es keine Energiewende“, so der VKU in einer Pressemitteilung vom August 2016.

Mit der wachsenden Anzahl privater Energieerzeuger, die ihren überschüssigen Strom in das öffentliche Verteilernetz einspeisen, steigt die Verantwortung zur Regulierung dieses Vorgangs. Bei der 2015 durch das EnWG geforderten Installation eines EEG-Managements besteht daher in vielen kommunalen Unternehmen Handlungsbedarf. Dessen Einführung ist verpflichtend und unter Umständen mit hohen Kosten verbunden. Investitionen die zwingend notwendig sind, damit das Netz stabil gehalten wird.

Zentrale Überwachung aus der Leitwarte

Mit diesen Rahmenbedingungen sahen sich auch die Stadtwerke Bad Pyrmont konfrontiert. Der kommunale Versorger setzt heute auf ein neues, wirtschaftliches Konzept auf Basis der bestehenden Leitungen aus den 1960er Jahren. „Betrieblich handele ich nicht anders als im privaten Bereich“, erklärt Frank Jakob, wenn er auf den ständigen Kostendruck der Städte und Kommunen verweist. Deswegen eruierten die Stadtwerke den Markt schon vor einigen Jahren nach einer Lösung mit Synergieeffekt. Dabei sollten die Daten des Energiemanagements sowie die Prozessdaten im Bereich der Leittechnik in einem gemeinsamen Kommunikationssystem gehandhabt werden. Außerdem war Jakob und seine Kollegen eine einfache Bedienbarkeit der Lösung wichtig.

Die Betrachtung des Energienetzes der Kurstadt zeigt, dass die Wasserversorgung (Brunnen, Pumpen, Hochbehälter), Gasverteilung, Wärmegewinnung (Heizkraftwerke) und Stromerzeugung (Blockheizkraftwerke, Photovoltaik-Anlagen) nicht immer in räumlicher Nähe zur zentralen Leittechnik angesiedelt sind, sondern zum Teil mehrere Kilometer entfernt liegen. In den 1980er Jahren erfolgte die Steuerung und Überwachung noch über eine zentrale Leittechnik. Jakob und sein Team erkannten jedoch früh, dass eine gestörte Verbindung zwischen Leittechnik und Unterstationen zum Ausfall der kompletten Unterstation führt und dieses Risiko mit einem wachsenden Netzwerk stetig steigt. Daher entschieden sie sich bereits 2003 zur Nutzung dezentraler Steuerungen in den Unterstationen. Dieser Ansatz sieht eine dezentrale Steuerung und Regelung vor, während die einzelnen Unterstationen zentral aus der Leitwarte überwacht werden. Zu diesem Zweck wurde bislang ein serielles Protokoll auf Basis der IEC 60870-5-101 eingesetzt. In den letzten Jahren ist allerdings ein Trend in Richtung IP-/Ethernet-Kommunikation feststellbar. Er resultiert aus der sich ständig erhöhenden Datenmenge und der damit einhergehenden geringeren Übertragungsrate beim seriellen Datenaustausch.

Vorhandene Telekommunikationsleitungen für moderne IP-Vernetzung nutzbar

Die Überwachung aus der zentralen Leittechnik erfolgt deshalb heute größtenteils auf der Grundlage von TPC/IP über das IEC-Protokoll 60870-5-104. Das gesamte Kommunikationsnetz der Stadtwerke Bad Pyrmont umfasst aktuell rund 115 km. Die neue IP-Übertragung und das wachsende Energienetz stellten die Stadtwerke aber vor weitere Herausforderungen. So ist die Ethernet-Kommunikation jetzt deutlich schneller, erfordert jedoch speziell geschirmte Ethernet-Leitungen, die eine maximale Distanz von 100 m überbrücken können. „Glasfaser-Leitungen wären aufgrund ihrer hohen Reichweite und Datenrate sicher eine gut Lösung gewesen“, erläutert Thorsten Hamann, Techniker im Bereich Netzleittechnik und Energiedaten-Management. „Allerdings konnten wir die Kosten insbesondere hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung nicht abschätzen. Die Glasfaser-Leitungen hätten wir neu verlegen müssen, was einen hohen Kostenaufwand in puncto Material und Personal bedeutet“.

Zur Sicherstellung der Netzstabilität müssen die Stadtwerke die relevanten Daten erfassen und bei Bedarf entsprechend reagieren. Vor diesem Hintergrund verwenden sie bei Neu- oder Ersatzinstallationen moderne Technik. So werden in diesem Bereich seit 2013/14 Unmanaged Ethernet-Extender von Phoenix Contact genutzt. Etwa 30 km sind bereits mit der SHDSL-Technik realisiert worden. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass von der maximal möglichen Datenrate der SHDSL-Leitung von 15 MBit/s weniger als ein Drittel für die Datenerfassung benötigt wird. Die Stadtwerke setzen hier vorhandene Telekommunikationsleitungen aus 1960er Jahren ein, müssen also kein neues Übertragungsmedium verlegen und brauchen nur je einen Ethernet-Extender in der jeweiligen Außenstation. Die SHDSL-Technik erlaubt die Ethernet-Kommunikation über beliebige Zweidrahtleitungen mit einer Reichweite bis 20 km. „Neben dem wirtschaftlichen Aspekt hätte die Stadt Bad Pyrmont der Verlegung von Glasfaser-Leitungen im Stadtgebiet kaum zugestimmt“, erklärt Frank Jakob. „Wegen der Lärmentwicklung sind Tiefbauarbeiten während der Kursaison nur schwer durchsetzbar“.

Einfache Erweiterung im laufenden Betrieb

Die Verantwortlichen der Stadtwerke hat zudem die einfache Handhabung der Unmanaged Ethernet-Extender überzeugt. „Aufgrund der Plug&Play-Funktion und der Möglichkeit der Systemerweiterung im laufenden Betrieb haben wir die Geräte selbst installieren können“, so Thorsten Hamann. In Verbindung mit dem Ausbau des IEC-Protokolls 60870-5-104 wird das Netz nun sukzessive um die Geräte ergänzt. Eines der nächsten größeren Projekte ist die Überwachung des 10-kV-Mittelspannungsnetzes. In diesem Umfeld setzen Jakob und sein Team auf die Managed Ethernet-Extender, die Phoenix Contact auf der Hannover Messe 2016 vorgestellt hat. Sie ermöglichen eine noch bessere Kontrolle und Transparenz des Übertragungsnetzes. Die Managed-Komponenten, die sich ebenfalls per Plug&Play in das Netzwerk einbinden lassen, bieten jetzt zusätzlich eine Diagnose sämtlicher Strecken und angeschlossenen Ethernet-Extender über die IP-Adresse. Neben der Vor-Ort-Diagnose auf dem integrierten Display eröffnen sich dem Anwender damit neue Möglichkeiten.

Unmanaged und Managed Ethernet-Extender können in einem Netzwerk kombiniert betrieben werden, um Status-, Warn- und Fehlermeldungen automatisch per SNMP (Simple Network Management Protocol) an die Leitzentrale zu senden. Das Zusammenspiel der Geräte in Verbindung mit bestehenden Leitungen macht die Nutzung des Systems nicht nur einfach und wirtschaftlich, sondern folgt auch der Forderung nach intelligenten und leistungsfähigen Netzen.

Stetige Investition in die Modernisierung und Digitalisierung

Kommt es zu Beeinträchtigungen und Ausfällen in kritischen Infrastrukturen, also der Energie- und Wasserversorgung oder Abwasserentsorgung, kann dies zu erheblichen volkswirtschaftlichen Schäden führen. Deshalb hat die Bundesregierung bereits 2009 die KRITIS-Strategie verabschiedet. Sie zielt darauf ab, einen kooperativen Ansatz von Staat, Unternehmen, Betreibern und der Öffentlichkeit zu entwickeln. Da Gas, Wasser, Strom und Wärme in Deutschland ständig verfügbar sind, machen sich wenige Anwender Gedanken über den zugrunde liegenden Aufwand. „Um diesen hohen Standard zu halten und auszubauen, muss weiterhin in die Modernisierung und Digitalisierung investiert werden“, so Frank Jakob. „Innovative Technik – wie die Ethernet-Extender – und gut ausgebildete Mitarbeiter sorgen dafür, dass stets Strom aus der Steckdose und Wasser aus dem Hahn kommt“.

SPS IPC Drives: Halle 9, Stand 310

* Rüdiger Peter, Produktmanager im Bereich Telecommunication Interfaces, Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont

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