Anlagenkommunikation in Windenergieanlagen Mit Glasfasertechnik bis hoch in den Turm

Autor / Redakteur: Carsten Edler, Rainer Bussmann / Ines Stotz

Die Windenergie-Industrie entwickelt immer leistungsfähigere und ertragsstärkere Anlagen. Anforderungen wie Nachhaltigkeit und Verfügbarkeit lassen die Leitsysteme und die Datennetze mitwachsen. Lichtwellenleiter-Steckverbinder und Ethernet-Switche der Harting Technologiegruppe sichern die Datenübertragung und präzise Steuerung von Windenergieanlagen und des gesamten Windparks.

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Die Umstrukturierung der Energieversorgung steht in den kommenden Jahrzehnten an: Dabei werden wenige zentrale Einheiten von zahlreichen, dezentralen Energieerzeugern abgelöst. Großkraftwerke werden durch kleine, flexible, umweltfreundliche und CO2-neutrale Kraftwerke ersetzt, die aus Sonnenenergie Strom und Wärme, aus Wind Strom und aus Biomasse Gas und Strom erzeugen. Die Entwicklung angemessener Speichertechnologien und ein intelligentes Netzmanagement gehören zu den anspruchsvollen Aufgaben der Energieversorgern – mit Auswirkungen auf die Anlagentechnologie.

In der Windenergie sind binnen zehn Jahren die Standards der Anlagentechnologie deutlich verschärft worden: An die Stelle von 500 kW-Anlagen mit 55 m Nabenhöhe und einem Rotordurchmesser von um 50 m sind heute 3 Megawatt-Anlagen gerückt, die eine Nabenhöhe von 120 m und einen Rotordurchmesser von etwa 90 m haben. Anlagen dieses Typs sollen das Rückgrat der künftigen Energieversorgung bilden, an Land, an der Küste und – dann in noch größeren Dimensionen – auf dem Meer.

Damit Anlagen dieser Größenordnung mit hohen Erträgen und hoher Verfügbarkeit betrieben werden können, müssen die Leitsysteme immer mehr Informationen verarbeiten, CMS-Systeme und Anlagenüberwachung müssen über dieselben Instrumente und Kommunikationsleitungen geführt werden. Die Anlagenkommunikation wird immer leistungsstärker.

Glasfaserkabel überwinden mehrere Kilometer Distanz

Aus diesem Grund werden große Teile der internen Anlagenverkabelung und der Parkkommunikation mittlerweile in Glasfasertechnik ausgeführt. Technologisch liegen die Gründe auf der Hand: Nabenhöhen von bis zu 150 m machen den Einsatz von Kupferkabeln für die Kommunikation zwischen Gondel und Turmfuß unmöglich. Lösungen mit Glasfaserkabeln können auf Distanzen bis zu mehreren Kilometern eingesetzt werden, Kupferkabel sind auf wesentlich kürzere Distanzen begrenzt. Hinzu kommt, dass die elektromagnetische Strahlung, die in der Turbine etwa durch den Umrichter erzeugt wird, auf Lichtwellenleiter keinen Einfluss hat. Eine kostenintensive Schirmung entfällt also. Hinzu kommt der zunehmende Einsatz von Ethernet-Technologien, der eine schnelle und sichere Kommunikation ebenso ermöglicht wie die Durchgängigkeit von unterschiedlichen Kommunikationswelten (Automatisierung, Büro-IT).

Grundsätzlich werden deshalb Kupferkabel nur noch in Schaltschränken am Turmfuß und in den Schaltschränken in der Gondel eingesetzt, während Lichtwellentechnologie für die Kommunikation zwischen Gondel und Turmfuß und für die Parkkommunikation verwandt wird.

Rascher Wechsel zwischen Kupfer und Glasfaser

Der Aufbau der Verkabelung in einer Windenergieanlage ist – unabhängig von der jeweiligen Konfiguration der Hersteller – durch den raschen und sicheren Wechsel zwischen Kupfer- und Glasfaserwelt gekennzeichnet. Die Schnittstelle im Schaltschrank am Turmfuß wird mit einem Ethernet-Switch versehen. Innerhalb des Schaltschranks wird die Verbindung zum Steckverbinder über ein Patchkabel ermöglicht. An der Schrankwand wird ein Standard-Lichtwellenkabel angesetzt, das bis in die Gondel über das dort angesiedelte Gondelkabel zum Schaltschrank führt. Innerhalb des Gondelschaltschranks wird die Verbindung zur Topbox wiederum durch ein Patchkabel hergestellt. Die Schnittstelle zwischen Gondel und Turm wird erzwungen durch die Windnachführung der Gondel, die zu einer mehrfachen Drehung um die eigene Achse führt. Angesetzt ist sie vor dem Loop, einer flexiblen Kabelführung, die das Verdrillen der Kabel durch die Achsumdrehung der Gondel verhindert. Verwendet werden hier Harting-Steckverbinder Han-Modular Compact mit Han-Modular-Einsätzen oder Harting-PushPull-Steckverbinder. Kabel werden je nach Kundenwunsch und -spezifikation eingesetzt. Harting bietet neben der Lieferung und Konfiguration der Steckverbinder und Ethernet-Switche das komplette Cable-Assembling, was zu deutlichen Kosteneinsparungen bei Installation, Inbetriebnahme und Wartung führt.

Ethernet-Switche unter extremen Bedingungen

Unterschiedliche Anforderungen werden an die Ethernet-Switche in den Windenergieanlagen gestellt, je nachdem, ob sie in der Gondel und im Turmfuß eingesetzt werden. Harting setzt in der Gondel Ethernet-Switche vom Typ eCon 3062-AD2 ein, die in einem erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +70°C funktionsbereit sind. Der Ausbau des Einsatzes von Windenergieanlagen, mit dem auch extreme Betriebs- und Umweltbedingungen (große Höhe, extrem hohe oder niedrige Temperaturen) berücksichtigt werden müssen, erhöht auch die Ansprüche an Switche und Steckverbinder.

Im Schaltschrank am Gondelfuß werden managebare Switche vom Typ 3063 -AD mit drei Lichtwellenleitern verwandt. Zwei dieser Ports werden für die Windpark-Kommunikation benötigt, deren Anlagen in der Regel in einer Ringtopologie angeordnet sind. Der dritte Port wird für die anlageninterne Kommunikation bereitgestellt. Daneben werden vom Switch weitere Anschlüsse bereitgestellt, etwa für das Modem der Fernwartung oder für Telefonanschlüsse.

Zuverlässigkeit und Sicherheit sind die Basis

Die Anforderungen an die in der Gondel eingesetzten Switche unterscheiden sich, nicht zuletzt, weil die Parkkommunikation wegfällt. Allerdings sind in der Gondel in der Regel Applikationen wie das Condition-Monitoring-System angesiedelt, das eine permanente Zustandsprüfung der Anlage und ihrer Hauptkomponenten vornimmt. Hinzu kommen Wartungs- und Telefonschnittstelle, Anemometer und vor allem die Anlagensteuerung, die sämtliche Zustände der Anlage aufnimmt, speichert und verarbeitet, etwa zur Steuerung des Pitch oder zur Windrichtungsnachführung. Auch Daten über die Anlagenzustände werden hier verarbeitet. Damit bleibt ein Lichtwellenport im Switch, mit dem die Kommunikation zum Schaltschrank im Turmfuß ermöglicht wird. Zuverlässigkeit und Sicherheit der Kommunikation sind damit Basisbedingungen, die von Ethernet-Switchen, Steckverbindern und Kabeln erfüllt werden müssen. Ein Maß, an dem sich die Harting Technologiegruppe messen lassen will.

HMI Halle 11, Stand C1

Carsten Edler, Market and Application Manager Wind Energy; Rainer Bussmann, Senior Product Manager; beide Harting Technologiegruppe

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