Switch & WLAN So tragen PV-Anlagen zur Netzstabilität bei

Autor / Redakteur: Jan Aulenberg* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Photovoltaik-Anlagen müssen ihren Beitrag zu Netzstabilität und Versorgungssicherheit leisten. Eine Ethernet-basierte Vernetzung sorgt dabei für die ausfallsichere Übertragung von Diagnosedaten und Regelbefehlen – und das sowohl kabelgebunden ebenso wie via Funk.

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PV-Anlagen werden auch auf Gewässern, die nicht für touristische oder ökologische Bewirtschaftung vorgesehen sind, errichtet.
PV-Anlagen werden auch auf Gewässern, die nicht für touristische oder ökologische Bewirtschaftung vorgesehen sind, errichtet.
(Bild: Phoenix Contact)

Als regenerative Energie trägt die Photovoltaik (PV) zu einem erheblichen Teil dazu bei, den weltweit stetig wachsenden Energiebedarf nachhaltig zu decken. Die Planung, der Bau sowie das Management großer PV-Anlagen erfordern jedoch Know-how und Erfahrung. In diesem Bereich hat sich ein in Konstanz ansässiges Unternehmen über die vergangenen 15 Jahre als unabhängiger Systemintegrator für die Steuerung von PV-Kraftwerken etabliert. Zebotec gehört zur Baywa RE-Gruppe, unter deren Dach 2009 verschiedene Unternehmen aus dem Umfeld der erneuerbaren Energien zusammengeführt wurden.

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Zum Tätigkeitsfeld des Münchner Unternehmens zählen u. a. in der Solar-Projektierung die Konzeption, Errichtung und Vermarktung von PV-Kraftwerken. In diesen Projekten ist Zebotec etwa für die Systeme zur Überwachungs- und Regelungstechnik verantwortlich. Das Leistungsspektrum umfasst auch den Aufbau von Ethernet-Netzwerken.

Netzstabilität braucht ausfallsichere Kommunikation

Über diese lassen sich die aufgezeichneten Diagnosedaten der Wechselrichter, Wetterstationen, in den Trafostationen montierten Temperatursensoren und Energiemessgeräte übertragen. Insbesondere die Weiterleitung der Regeldaten für die Netzeinspeisung stellt hohe Anforderungen an eine ausfallsichere Kommunikation. Denn sollten die Regelwerte nicht zuverlässig beim Empfänger ankommen, kann dies zu einer unkontrollierten Einspeisung der Anlage in das Stromnetz führen – eine Gefahr für die Netzstabilität.

Vor allem bei der Vernetzung der einzelnen Trafostationen müssen einige Besonderheiten beachtet werden. Als gutes Beispiel erweist sich die von Zebotec und Groenleven, dem niederländischen Tochterunternehmen der Baywa RE, umgesetzte 45-MW-Freifeldanlage im niederländischen Oosterwolde de Boer. Dort sind zum einen große Distanzen zwischen den Stationen zu überbrücken. Zum anderen wurden die Ethernet-Leitungen in Kabelkanälen mit geringen Abständen zu den AC- und DC-Leitungen der Anlage verlegt.

Bei Verwendung klassischer Twisted-Pair-Kupferkabel können aufgrund dieser Nähe elektromagnetische Störungen auftreten und im schlimmsten Fall einen Datenverlust nach sich ziehen. Um das zu verhindern, müssten die Kupferkabel speziell geschirmt sein oder separat verlegt werden. Sowohl aufgrund der Leitungslängen als auch wegen möglicher EMV-Einflüsse hat sich Zebotec daher für den Einsatz von Glasfaserleitungen entschieden, die sich durch ihre Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen als montagefreundliche und fehlertolerante Lösung herausstellen.

VLANs unterbinden ungewollte Kommunikation zwischen Anlagenbereichen

Für ein stabileres Netzwerk nutzt Zebotec am zentralen Netzübergabepunkt Managed Switches von Phoenix Contact. Dort läuft die Ethernet-Übertragung der in mehreren Linien miteinander verbundenen Trafostationen zusammen. Jede Linie ist dabei als separates virtuelles Netzwerk (VLAN) konfiguriert. Auf diese Weise wird vermieden, dass die verschiedenen Anlagenbereiche ungewollt untereinander Daten austauschen können. Somit lassen sich überflüssige Datenströme unterbinden und die Effizienz der Kommunikation verbessert sich.

Um zusätzliche Ausfallsicherheit zu erreichen, richtet Zebotec besonders in großen Anlagen zudem redundante Netzwerkstrukturen ein, in der Regel als Ringtopologie via RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) ausgeführt. So kann die Datenübertragung zwischen allen Anlagen sogar bei einem Verbindungsausfall auf einer Glasfaserstrecke weiterhin aufrechterhalten werden. Aufgrund der benötigten Redundanzfunktionen kommen hier ebenfalls Managed Switches der Baureihe FL Switch 2200 zum Einsatz.

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Integrierte Funktionen erhöhen die Verfügbarkeit

In vielen Automatisierungsnetzwerken werden Ethernet-Switches mit einem Standardfunktionsumfang benötigt, die möglichst kostengünstig und vielseitig nutzbar sind. Die Managed Switches der Produktfamilie 2000 von Phoenix Contact erfüllen diese Anforderungen. Die Geräte der 2200er-Baureihe erlauben zudem die Kommunikation über Glasfaser. Aufgrund von Zulassungen für das maritime Umfeld und die Prozessindustrie, eines Temperaturbereichs von -40 bis 70 °C und einer redundanten Spannungsversorgung lassen sie sich flexibel selbst unter rauen Umgebungsbedingungen einsetzen.

Die Geräte unterstützen Redundanzmechanismen wie RSTP, LACP und MRP, sodass sich durch Netzwerkfehler oder versehentlich gesteckte Schleifen verursachte Ausfallzeiten minimieren. Zum Schutz vor unbefugten Zugriffen auf Gerät und Netzwerk umfassen die Switches ferner Security-Funktionen, z. B. Mac-basierte Port-Security oder Radius-Authentifizierung. Diagnosefunktionen – etwa SNMP, Syslog oder Port Mirroring – sorgen dafür, dass Fehler schnell erkannt und behoben werden können. Im Fall eines Geräteausfalls vereinfachen DHCP-Server-Funktionalitäten zur IP-Adressvergabe den Austausch des defekten Switches.

Schwimmende Trafostationen via WLAN an den Netzübergabepunkt anbinden

Als weitere Besonderheit mit anderen Anforderungen an die Vernetzung sieht sich Zebotec darüber hinaus durch eine neue Art von PV-Anlagen konfrontiert. Denn neben großen Freifeldanlagen realisiert das Unternehmen gemeinsam mit Baywa RE seit kurzem auch Photovoltaik-Kraftwerke auf Gewässern, die nicht für eine touristische oder ökologische Bewirtschaftung vorgesehen sind. Die Umwandlung der ungenutzten Seen in PV-Anlagen bietet Vorteile: So lassen sich zum Beispiel CO2-Emissionen reduzieren, durch den Wasserkühlungseffekt hohe Erträge erwirtschaften und Konflikte hinsichtlich der Verwendung der bislang notwendigen Landflächen verhindern.

Ein Beispiel ist die schwimmende, am Gewässergrund verankerte 27-MW-Anlage auf der Kiesgrube Bomhofsplas nahe dem niederländischen Zwolle. Trafostationen und den Netzübergabepunkt zu verkabeln, wäre dort aufwändig und teuer gewesen. Deshalb hat sich Zebotec für eine kabellose Ethernet-Vernetzung entschieden: Die in jeder Trafostation verbauten WLAN-Clients verbinden sich mit WLAN-Access Points, die in ufernahen Stationen montiert sind. Über Repeater werden selbst die weit vom Ufer entfernt gelegenen Trafostationen an einen Access Point angekoppelt, sodass eine durchgängige Kommunikation sichergestellt ist.

Wichtig dabei: die eingesetzten WLAN-Komponenten müssen zuverlässig und robust arbeiten. Daher hat sich Zebotec für die Nutzung der Funkmodule FL WLAN 5110 von Phoenix Contact ausgesprochen. Die industrietauglichen Geräte lassen sich als WLAN-Client ebenso wie als Repeater oder -Access Point konfigurieren. Auf diese Weise erhält der Systemintegrator die Flexibilität, die Schaltschränke sämtlicher Trafostationen zunächst identisch aufzubauen und die finale Konfiguration des WLAN-Netzwerks erst in der jeweiligen Anlage vorzunehmen.

Zum Datenaustausch zwischen den Modulen sind auf jeder Trafostation zwei Rundstrahlantennen installiert. Für die Verbindung der Access Points mit einem am zentralen Netzübergabepunkt an Land verbauten Modul verwendet Zebotec aufgrund der größeren Distanz Richtfunkantennen. Zum Schutz der PV-Anlage werden alle Antennenkabel mit Überspannungsschutz von Phoenix Contact abgesichert.

Vernetzungskonzept auch für zukünftige Projekte

Der Konstanzer Systemintegrator hat sowohl mit den Managed und Unmanaged Switches als auch den WLAN-Komponenten von Phoenix Contact bisher nur gute Erfahrungen gemacht. „Das war einer der Gründe, warum wir uns für die Infrastrukturkomponenten ausgesprochen haben, denn die Geräte sind ‚industrial grade‘ und damit robust genug, um unsere Anforderungen an eine hohe Verfügbarkeit zu erfüllen“, stellt Werner Neff, CEO bei Zebotec, zufrieden fest. Aus diesem Grund wird das Unternehmen die beschriebenen Vernetzungskonzepte ebenfalls in zukünftigen Photovoltaik-Kraftwerken einsetzen.

Das gilt im Übrigen ebenso für die Steuerungstechnik. Zur Verarbeitung der Diagnose- und Regeldaten innerhalb der PV-Anlagen nutzt Zebotec seit Jahren Steuerungen der Baureihen AXC 3050 und ILC 191 sowie Buskoppler der Inline-Produktfamilie. Als Solution Partner von Phoenix Contact im Umfeld der erneuerbaren Energien verwenden die Konstanzer ferner als eines der ersten Unternehmen weltweit die offene Steuerungsplattform PLC Next Technology.

* Jan Aulenberg, M.Sc., Produktmanager Netzwerktechnik, Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont

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