Gateway Smart Grid Kommunikation braucht Simultanübersetzer

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Wirtschaftlich und nachhaltig Energie zu erzeugen sowie das Smart Grid im Zuge der Energiewende einzusetzen, erfordern eine viel umfassendere Kommunikation als bisher – und das möglichst branchenübergreifend. Das heißt aber, unterschiedliche Automatisierungswelten zu verbinden. Eine Möglichkeit zeigt dieser Beitrag auf.

In der Energiewirtschaft wird heute eine Vielzahl von Daten erhoben. Darunter einige, die für den sicheren Betrieb essenziell sind, und eine viel größere Datenmenge, die nicht sicherheitskritisch ist, jedoch für einen wirtschaftlichen Betrieb unabdingbar. Da die Stromproduktion bei erneuerbaren Energiequellen sowie der immer dynamischere Verbrauch starken Schwankungen unterliegt, Stromverbrauch und Erzeugung aber dennoch immer im Einklang sein müssen, erfordert eine erfolgreiche Energiewende völlig neue Regelansätze.

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Das betrifft sowohl die Erzeuger als auch die Verbraucherseite, zwei Industriebereiche, die sehr unterschiedliche Kommunikations-Standards verwenden. So werden in der Energieautomatisierung Protokolle wie IEC 61850 oder IEC 60870 genutzt, während die industrielle Automatisierung auf Protokolle wie Profinet oder Ethernet/IP setzt.

Um Abläufe schnell und sicher synchronisieren zu können, muss daher ein einfaches Verfahren den branchenübergreifenden Datenaustausch sicherstellen und es muss sich ohne Vorkenntnisse der jeweils anderen Datenprotokolle leicht einsetzen lassen.

Eine Lösung dafür bietet HMS Industrial Networks mit den Ixxat SG-Gateways, die sich für die direkte Kommunikation über unterschiedliche Netzwerke hinweg oder für die Datenanbindung in die Cloud eignen.

Daten verständlich übersetzen

Die Automatisierung beruht, auch wegen der oft jahrzehntelangen Nutzung der Installationen, auf gewachsenen Strukturen. Wie bei der menschlichen Sprache sind daher bei der Kommunikation einige Besonderheiten zu berücksichtigen. So wie bei der Sprachübersetzung idiomatische Ausdrücke zu beachten sind, gilt es auch in der Automatisierungswelt spezielle, inhärente Eigenschaften der Protokolle zu berücksichtigen.

Überträgt das eine Protokoll nur reine Sensordaten, so verlangt das andere zwingend nach digitalen Signaturen, Zeitstempeln oder einer Sensorkennung inklusive Einbauposition. Ein maschineller Simultanübersetzer muss dem Rechnung tragen.

Gateways ergänzen daher die jeweils fehlenden Angaben oder lassen überflüssige Informationen weg. Nur so können die übersetzten Daten in anderen Netzwerken auch sinnvoll und sicher genutzt werden. Die einzelnen Gatewayausführungen unterscheiden sich nicht nur in der Software, sondern auch die busspezifischen Anschlüsse sind an die vorgesehenen Protokolle anpasst, sodass die Geräte schnell und einfach einsetzbar sind.

Die Prozess- und Energieebene kann der Anwender über eine intuitive graphische Programmierung miteinander verknüpfen, tiefere Kenntnisse des jeweils anderen Kommunikationsprotokolls sind nicht nötig.

Durch die getrennten Netze und die nötige Übersetzung kann festgelegt werden, welche Daten überhaupt die Grenze „überschreiten“ und übersetzt werden und auch in welche Richtung sie übertragen werden dürfen.

Schlussendlich können die Daten auch direkt von diesem Gerät in eine on-premise oder eine remote Cloud übertragen werden – wobei hier als weitere „Firewall“ ein zusätzliches SG-Gateway angedockt werden kann, das die Kommunikation und Übertragung der aufbereiteten Daten in die Cloud übernimmt.

Eine schnelle Just-in-time-Abstimmung von Energieerzeugung und -verbrauch mit der Produktions- und Prozessebene ist so erstmals möglich und eröffnet viele Möglichkeiten, wie die folgenden Beispielszenarien zeigen.

Automatisierter Datenaustausch in der Energieerzeugung

Stromerzeugung erfordert meist mehr als zwei unterschiedliche Kommunikationssysteme.

Zum einen sind im Kraftwerk Automatisierungskonzepte eingesetzt wie in jeder vergleichbaren industriellen Anlage. Zum anderen benötigt das zugehörige Umspannwerk Protokolle zur sicheren Anbindung an die zentrale Leitwarte. Steigt der Strombedarf, werden im klassischen Kraftwerk über Aktoren wie Pumpen, Ventile etc. mehr Dampf oder Wasser freigegeben, Turbinenleitschaufeln geregelt und die ganze Kraftwerksperipherie angepasst. Das übernehmen Automatisierungssysteme mit in der Industrie üblichen Bussystemen wie Ethernet/IP oder Profinet. Diese kommen auch oft in den großen Anlagen bei der alternativen Stromerzeugung zum Einsatz und übernehmen den prozesstechnischen Ablauf, beispielsweise die Panelnachführung bei Photovoltaik, die Ansteuerung von Aktoren für die Rotorblattverstellung (Pitch-Control) oder Sicherheitsfunktionen wie Notaus bei Windkraftanlagen.

In den Energieverteilsystemen sind die Anforderungen dagegen grundlegend anders und die Kommunikation mit der Leitwarte wird über eigene Protokolle und aufgrund Sicherheitsanforderungen auch über eigene Datenleitungen realisiert. Schnittstelle zwischen den Welten ist auch heute noch vielerorts eine telefonische Abstimmung, um die beiden Bereiche miteinander zu koordinieren.

Mit einem Gateway wie dem Ixxat SG kann die nötige Abstimmungsarbeit für ein Smart Grid jetzt automatisiert und in viel feinere Bereiche unterteilt werden. Je nach Anlagenkonzept ist so ein Datenaustausch bis hinunter zur einzelnen SPS-Steuerung möglich. Das optimiert die Reaktionszeiten und verbessert die Netzgüte bei weniger Arbeitsaufwand und Kosten.

Stromkosten senken durch individuelles Energiesparen

Umspannwerke gibt es nicht nur bei der Stromerzeugung, sondern sie werden auch bei größeren Verbrauchern vorgeschaltet. Die Strompreise orientieren sich hier oft an den Leistungsspitzen, die bereitgestellt werden müssen, sowie an den abgerufenen Strommengen. Gleichzeitig wird das Netz durch die schwankenden Lastspitzen sowohl von den regenerativen Energielieferanten (Wind, Sonne etc.) als auch den Verbrauchern belastet.

Die Umspannwerke sind zeitnah über die zur Verfügung stehenden Energiemengen durch die Leitwarte unterrichtet. Wenn man nun über eine direkte Kopplung dieser Energieebene mit der Produktion Angebot und Nachfrage fein aufeinander abgestimmt, bringt das gleich mehrfachen Nutzen: Die Stabilität des Stromnetzes steigt und gleichzeitig sinken die Strompreise für den Verbraucher.

Statt Lastspitzen teuer zu bezahlen, werden diese entweder minimiert oder auf Zeiten eines preiswerten Stromüberangebotes verlagert. Stromerzeugungsprognosen mit der Produktion zu verzahnen spart daher erhebliche Kosten. Schon heute übliche Verfahren wie hohe Ofen- oder Elektrolyselasten auf nachfrageschwache Wochenendzeiten zu legen, lassen sich mit der direkten Kommunikation deutlich verfeinern und damit auch die Kosteneinsparungspotentiale erhöhen.

Bei geringer Stromerzeugung können die Daten verwendet werden, um die Leistung einzelner Öfen zu drosseln, um einen anderen Ofen mit Volllast hochzufahren ohne die Anschlussleistung voll auszunutzen. Auch eine Rückspeisung beim Abbremsen rotierender Maschinen lässt sich so auf SPS-Ebene mit dem Energiemangement des Stromlieferanten abstimmen. Ähnliche Beispiele gibt es viele; es eröffnen sich also mannigfache neue Wege individuellen Energiesparens.

Wartung und Sicherheit

Auch bei kleineren Einheiten wie akkugestützter Energieeinspeisung für die Netzstabilität oder der unterbrechungsfreien Notstromversorgung bieten die SG-Gateways interessante Möglichkeiten. So lassen sich selbst entfernte Einheiten unabhängig von der Stromleitwarte überwachen. Auf diese Weise können z. B. die Daten aller Akkuzellen per Leitung oder Funk in die Cloud übertragen werden. Der Zustand aller Zellen ist bekannt, Wartungstechniker müssen nicht mehr zyklisch anreisen, um diese zu überprüfen, sondern nur noch im Notfall oder zu vorab geplanten Wartungsarbeiten.

Die dafür notwendigen Daten übersetzt das Gateway aus den Sensoren und Datenströmen, die auch die Leitwarte für die Steuerung der Anlage nutzt – also etwa Daten zu entnommenen Energiemengen, Zeitdauer und Höchstlast.

Hinzu kommen rein anlagenspezifische Daten für die Wartung und Sicherheit der Batterieanlage. Zu diesen zählen u. a. wartungsrelevante Temperaturdaten der Gebäudeklimatisierung ebenso wie Zugangs- oder Wetterdaten. Dadurch werden neue Betriebs- und Verkaufsmodelle möglich, statt der Hardware kann nun beispielsweise nur die tatsächlich genutzte kWh-Leistung verkauft werden.

* Thomas Waggershauser, Product Line Director Ixxat Energy bei HMS Industry Networks

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