Hohe Erwartungen werden im Rahmen der Energiewende in den Netzausbau gesetzt. Aufgrund des Paradigmenwechsels von der zentralen zur dezentralen Erzeugung durch Wind-, Solar- und Wasserkraft sowie der Speicherung auf Basis verschiedener Technologien ist in diesem Kontext eine Abstimmung von Energie-Angebot und -Nachfrage zwingend notwendig. Das deutsche Stromnetz, das weltweit mit am besten entwickelt ist und am stabilsten arbeitet, soll für eine Zukunft mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien ertüchtigt werden. Dies wird ohne eine erhebliche Erweiterung der Kommunikationsinfrastruktur nicht klappen.

Mit der international anerkannten Norm IEC 61850 ist bereits die Grundlage zur Modernisierung der Kommunikation gelegt. Der Standard beschreibt eine objektorientierte Kommunikationssprache, die im Energienetz zum Einsatz kommt. Sie findet insbesondere in den Automatisierungsnetzwerken von Energiesystemen im Bereich der Erzeugung, Speicherung und Verteilung bis zum Verbraucher Anwendung. Als beispielhafte Applikationen seien Schaltanlagen, Umspannwerke und die automatisierte Vernetzung des Transport- und Verteilnetzes genannt. Kurzum: Überall dort, wo große Lasten, die Rückwirkung auf die Netzstabilität haben, in das Energienetz eingespeist, aus ihm entnommen sowie geschaltet oder überwacht werden, zeigt sich die IEC 61850 als kostengünstige Alternative zu den bis dato verwendeten Übertragungsverfahren.

Gegenwärtig werden signalorientierte Datenmodelle gegenüber dem nach IEC 61850 objektorientierten Datenmodell genutzt. Im signalorientierten Datenmodell (zum Beispiel nach IEC 60870-5) hat jedes Signal eine eigene Adresse. Zur Interpretation eines Signals müssen also Sender und Empfänger diese Adressen kennen. Somit ist von Anlage zu Anlage eine eigene Adresspflege erforderlich. Im Gegensatz dazu beschreibt das objektbezogene Datenmodell der IEC 61850 eindeutig den Namen des Objekts im Klartext. Diese Information wird darüber hinaus in der Kommunikation zwischen den Teilnehmern mit übertragen. Die Objekte beinhalten neben den zu übertragenden Werten die zugehörigen Einheiten. So bieten die eindeutig vordefinierten Objekte klare Schnittstellen für Planer, Anwender und Betreiber. Die in der Normensprache als Logical Nodes (LN) abstrakt formulierten Funktionen ermöglichen den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen intelligenten Geräten.

Im Energienetz überwachen autark arbeitende Geräte wie Hochspannungsschalter, Transformatoren und Messeinrichtungen ihre Zustände und melden sie an Schutzeinrichtungen und die Leitebene des Energieversorgers. Diese so genannten Intelligent Electronic Devices (IED) kommunizieren im Bedarfsfall durch schnelle sich wiederholende GOOSE-Nachrichten (Generic Object Oriented System Events) miteinander, die als Multicast verschickt werden. Ein Sender kann also gleichzeitig mehrere Empfänger über seinen Zustand informieren. Handelt es sich um schnelle Meldungen, werden die vordefinierten Verbindungen über die im OSI-Modell genutzte Layer-2-Schicht verwendet und die Nachrichten per Multicast in das lokale Netzwerk gesendet. Für Statusabfragen – die sogenannten Reports – stehen die TCP/IP-Verbindungen zur Verfügung. Nachdem sie die in der IEC 61850-8-1 festgeschriebenen Meldungen empfangen haben, lösen die Empfänger im Vorfeld definierte Aktionen aus, sofern dies notwendig ist.

Da abzusehen ist, dass die Kosten für Energie kontinuierlich steigen und ihre dezentrale Erzeugung stetig wächst, benötigen immer mehr Teilnehmer die Informationen aus dem zunehmend automatisierten Energienetz. Vor dem Hintergrund, dass nur ein stabiles Informationsnetzwerk ein stabiles Energienetz sichert, werden Schaltanlagen und Umspannstationen zunehmend automatisiert. Nur so wird auch in Zukunft eine zuverlässige Belieferung mit Energie sichergestellt. Zudem werden Anwender vermehrt darauf achten, Kostenvorteile durch den Einsatz günstig verfügbarer Energie zu erlangen. Das bedeutet, dass das klassische Automatisierungsnetzwerk der produzierenden Unternehmen mit dem Energienetz verknüpft wird.

Eine „smarte“ Energieversorgung wird in Zukunft lediglich dann funktionieren, wenn alle relevanten Komponenten Daten untereinander austauschen können, um Angebot und Nachfrage gegebenenfalls automatisch aneinander anzupassen. In kontinuierlichen Produktionsprozessen kommt dem Austausch aktueller Informationen mit der koordinierenden Steuerung oder Leitebene eine große Bedeutung zu. Auf diese Weise sind Fertigungsabläufe in einem mit der Fabrikautomation gekoppelten Energienetzwerk an das Energie-Angebot adaptierbar. So können aktiv Kostenvorteile bei einem günstigen Stromangebot genutzt werden. Die effiziente Verwendung erneuerbarer Energie bei großen Verbrauchern ist damit umsetzbar.

Aufbau einer eigenen Infrastruktur

Im industriellen Umfeld hat sich die Ethernet-Technologie bereits in erheblichem Umfang etabliert. Die Norm IEC 61850 stützt sich ebenfalls auf die bewährte Technik, die sich über unterschiedliche Medien wie Kupfer, Lichtwellenleiter oder Funk übertragen lässt. Wesentliche Voraussetzung für eine schnelle Datenübertragung ist ein robustes und zuverlässiges Netzwerk. Für die speziellen Anforderungen im Bereich der Hoch-, Mittel- und Niederspannung werden im Normenteil IEC 61850-3 die hohen Umweltanforderungen in einer Umspann- oder Schaltanlage beschrieben. Diese erhöhten Anforderungen sind durch die Komponenten, die in diesem Bereich eingesetzt werden, zu erfüllen. Das dezentrale Energieverteilungsnetz wird schrittweise mit einer eigenen Ethernet-Infrastruktur ausgestattet. Automatisierte lokale Mittelspannungs- und Niederspannungs-Schaltanlagen verfügen in Zukunft über intelligente Mo­dule, die von der Leitebene der Energieversorgungs-Unternehmen (EVU) überwacht werden. Tritt eine Überlast oder Netzstörung auf, lässt sich der Fehler so schneller eingrenzen und über die Ringleitung ein alternativer Pfad schalten.

Der in der IEC 61850-8-1 definierte Stationsbus, der die Intelligent Electronic Devices (IED) miteinander verbindet, ermöglicht den Aufbau redundanter Netzwerke. Priorisiert übertragene GOOSE-Meldungen sorgen für die schnelle Reaktion im Netzwerk. Je nach Anwendungsfall sind in der IEC 61850 verschiedene Redundanzmechanismen beschrieben. In systemkritischen Anlagen werden neue Redundanz-Mechanismen auf Basis des Parallel Redundancy Protocols (PRP) oder der High Availability Seamless Redundancy (HSR) eingesetzt. Diese Mechanismen erlauben eine stoßfreie Umschaltung im Netzwerk.

Heute sind die Verfahren noch sehr aufwendig zu implementieren und mit hohen Kosten für die Infrastruktur verbunden. Aufgrund der einfachen Installation nutzen viele Applikationen das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), um verfügbare Netzwerke zu realisieren. Mit Umschaltzeiten von mehreren Millisekunden bis Sekunden ist es jedoch für einige Anwendungen zu langsam. Mit dem Extended-Ring-Mechanismus von Phoenix Contact, der selbst bei mehr als 130 Switches im Ring eine schnelle Umschaltzeit sicherstellt, gibt es eine Alternative für redundante Netzwerke.

Während bei anderen Verfahren für jeden Switch eine Rekonfigurationszeit (Recovery Time) von 5 msec berechnet wird, hängt der Wert im Extended Ring nicht von der Anzahl der angekoppelten Switches ab. Der Extended-Ring-Mechanismus ist vielmehr in der Lage, die Kommunikation im Fehlerfall innerhalb von weniger als 15 msec wiederherzustellen. Für schnelle Meldungen sind auch im Redundanzfall Reaktionen von kleiner 20 msec notwendig. Das Extended-Ring-Verfahren bietet sich deshalb an, die verschickten GOOSE-Telegramme selbst im Redundanzfall rechtzeitig im Netzwerk zu übermitteln.

Managed und unmanaged Switches sowie Medienkonverter müssen die hohen EMV-Anforderungen der IEC 61850-3 erfüllen.

© Phoenix Contact

Abgesetzte Stationen lassen sich mit Medienkonvertern via Lichtwellenleiter bis zu einer Entfernung von 10 km Faserlänge einbinden. Das bei den neuen Medienkonvertern verwendete Cut-Through-Verfahren übermittelt die zu übertragenden Nachrichten mit einer Latenzzeit von weniger als 700 nsec. Auf diese Weise ist eine robuste und schnelle Kommunikation auch unter extremen EMV-Bedingungen umsetzbar. Das gemäß IEC 61850-90-4 durchgängige Steckverbinder-Konzept mit dem Small-Form-Factor-LC-Steckverbinder (Lucent Connector) als Duplex-Variante für die IP20-Glasfaser-Übertragung vereinfacht zudem die Planungen.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Der Ausbau des Kommunikationsnetzes muss zeitgleich mit dem Aus- und Umbau des Energienetzes stattfinden. Als ein großer Vorteil bei der Integration der Teilnehmer im Energienetz erweist sich, dass man sich international auf einen einheitlichen Datenaustausch gemäß der Norm IEC 61850 geeinigt hat. Grundvoraussetzung für ein weiterhin hochverfügbares Energienetz ist eine robuste Kommunikations-Infrastruktur, die auf Basis von Ethernet ausgeführt wird.

Autor: Jens Wienecke ist Mitarbeiter im Bereich Produktmarketing Network Technology bei Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont.