Um Transparenz im Smart Grid zu erzeugen, bedarf es der Bereitstellung hochwertiger & grundlegender Messdaten bei maximaler flexibler Konnektivität. Dazu ist es vorab jedoch wichtig, das Smart Grid semantisch korrekt zu definieren. Dies ist essenziell, damit während der Projektdefinition zwischen dem Betreiber und den Zulieferern von Messtechnik und Software keine Missverständnisse entstehen.

Aus diesem Grunde baut Camille Bauer mit Ihrem Partnernetzwerk auf der grundsätzlichen Definition eines Smart Grids auf, wie es z. B. vom Bundesamt für Energie der Schweiz beschrieben wurde:

«Als ein Smart Grid wird ein elektrisches System verstanden, welches unter Einbezug von Mess- sowie meist digitaler Informations- und Kommunikationstechnologien den Austausch elektrischer Energie aus verschiedenartigen Quellen mit Konsumenten verschiedener Bedarfscharakteristika intelligent sicherstellt. Ein solches System soll den Bedürfnissen aller Marktakteure und der Gesellschaft Rechnung tragen. Die Nutzung und der Betrieb des Systems können dadurch optimiert und effizienter gestaltet werden, die Kosten und der Umwelteinfluss können minimiert und die Versorgungsqualität und -sicherheit in ausreichend hohem Masse gewährleistet werden».

Traditionell wird pro 3P (L1-L2-L3) oder 3PN (L1-L2-L3-N) jeweils ein Messgerät zur Lastflussmessung mit Stromwandler oder Rogowski-Spule verbaut. Im Falle der Transparenz im Smart Grid würde dies bei einem System mit 8 Lasten (Abgängen) bedeuten, dass auch 8 Messgeräte eingesetzt werden müssten. Der Aufwand zur Installation (z. B. 8 x 4 Messeingänge für Spannung & Strom, 8 x Speisespannungsversorgung, 8 x Kosten für ein Messgerät & Zubehör, 8 x Installation, etc.) als auch der oftmals nicht verfügbare Bauraum ist dabei ein Problem.

Nicht zuletzt wird auch die IT-Infrastruktur belastet, da entweder komplette Modbus RS485-Netze aufgebaut oder viele neue IP-Adressen im Patch verwaltet werden müssen. Nicht zu vergessen der hohe Aufwand an individueller Cyber-Protektion, Konnektivität und der generellen Geräteadministration. Zusätzlich muss sichergestellt werden, dass alle eingesetzten Messgeräte zeitsynchron auf allen Kanälen messen. Und möchte man nun die Netzqualität, z. B. nach EN50160 und einem zusätzlichen Ereignismonitor auch noch in einen Kontext bringen, so explodieren die Kosten und der Aufwand dann völlig.

Beim System des LINAX PQ5000CL wurde alles in ein System integriert. Hierbei handelt es sich um eine skalierbare Strommessung über die Current Link Module, in Kombination mit der metrologisch zertifizierten Netzqualitätsüberwachung der Klasse A im Basisgerät. Quasi ein messtechnischer Kompass. In einem Ausbauschritt werden die einzelnen Stromkanäle der Current Link Module noch zeitsynchronisiert zu den Spannungsereignissen ins Verhältnis gebracht. Dies bedeutet, dass jedes Spannungsereignis mit den Strömen/Kanal betrachtet und analysiert werden kann (geplant in 2023). Dabei wird die IT-Infrastruktur nur minimal belastet, da nur ein Teilnehmer als Datenkonzentrator die Konsolidierung und Kommunikation aller Messdaten übernimmt. Und nicht zu vergessen, die einzigartige Cyber Protektion auf Geräte-Ebene, die einen wesentlichen Beitrag zur gesamthaften Cyber Sicherheit im Netzbetrieb beiträgt.

Aufgrund der hohen Abtastrate (18kHz (U) / 54kHz (I)) bleibt quasi nichts verborgen und selbst schnelle Schwankungen werden jederzeit lückenlos aufgezeichnet. Dies ist wichtig, um der Automatisierung (z. B. Digitales Grid Management) hoch performante, aber auch reale Daten zur Verfügung zu stellen, bzw. im Smart Grid eine einzigartige Transparenz zu schaffen (z. B. Realtime Digital Twin). Dabei erfolgt die Übergabe der Messdaten an die Basiseinheit über das koaxiale Ringbus-System, und von dort aus werden die konsolidierten Messdaten an das parallele oder übergeordnete System übertragen.

Jedes Current Link Modul (3P oder 3PN) verfügt über die Möglichkeit, individuell in einem typischen Nennstrombereich nach dem «Faktor20-Technologie» eingesetzt zu werden. Dabei werden Nennströme automatisch von den Current Link Modulen in die Bereiche «IN1 (typisch/maximal) von 400A/1’000A» und «IN2 (typisch/maximal) von 8’000A/20’000A» kategorisiert. Dies bedeutet, dass jedes Modul bis maximal 20’000A dauerhaft betrieben werden kann. Hierbei hilft eine automatisierte Bereichsumschaltung, die in den Current Link Modulen integriert ist. Diese Art der Funktionalität ist optimal dafür geeignet, um ein Current-Link-System an einer Vielzahl ungleich oder auch symmetrisch belasteten Nennströmen und tatsächlichen Lasten zu betreiben.

Koaxialleitungen sind zweipolige Kabel mit konzentrischem Aufbau. Sie bestehen aus einem Innenleiter (auch Seele genannt), der in konstantem Abstand von einem hohlzylindrischen Aussenleiter umgeben ist. Der Aussenleiter schirmt den Innenleiter vor Störstrahlung ab. Koaxialleitungen sind dazu geeignet, im Frequenzbereich von einigen kHz bis zu einigen GHz hochfrequente, breitbandige Signale zu übertragen.

Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften und simplen Beschaffenheit eigenen sich die Koaxialleitungen sehr gut für die skalierbare Current Link Technologie. Die hochfrequenten Signale werden sauber und performant übertragen. Hinzu kommt, dass Störungen von aussen als auch Störungen nach aussen sehr gut abgeschirmt werden. Durch die Koaxialtechnologie ist es zudem möglich, Ringleitungen mit maximal 20m Gesamtlänge als «Quasi-Bus» aufzubauen, die wiederum den Verdrahtungsaufwand enorm reduzieren. So wird die Hilfsenergieversorgung der Current Link Module als auch die Signale in einem Kabel übertragen. Die Zuführung von vielen unübersichtlichen Einzelleitungen in einen Verteiler-Schaltschrank bleibt somit aus. Dabei wird die bestehende IT-Infrastruktur nicht zusätzlich belastet. Ungewollte Zugriffe (z. B. Cyber-Attacken) über die Ringbusleitung sind zudem eher unwahrscheinlich.

Eine grosse Herausforderung stellt immer wieder die Konnektivität an bestehende Systeme dar. Dabei zählen zum einen das Kommunikations-Protokoll selbst, zum anderen aber auch die Art der Daten, also welche Messergebnisse sind wirklich relevant. Und nicht zuletzt stellt sich die Frage nach einem Datenpull oder einem Datenpush. Das System LINAX PQ5000CL bietet hierzu die Möglichkeit der Anbindung über das IEC61850-Protokoll. Hierzu werden ca. 32 Messdaten pro Current Link Modul über einen Datenpush im «Top-of-Second-Verfahren», also 1/s an das übergeordnete System gesandt. Das erspart Datenanfragen und entlastet somit das IT-System. Reichen Daten >1/s aus, so kann dies im LINAX PQ5000CL individuell parametrisiert werden.

Allerdings verfügt nicht jedes Leitsystem bereits über das Protokoll nach IEC61850. Aus diesem Grunde werden bewährte Protokolle wie Modbus RTU und Modbus TCP/IP vom LINAX PQ5000CL unterstützt. Und da die Umsetzung eines Smart Grids typischerweise in einem spezifischen Grid Management System erfolgt (z. B. durch Venios Energy Solution, Fichtner Digital Grid, etc.), werden Protokolle wie MQTT mehr relevant, um eine direkte Kommunikation ohne Gateway und in Echtzeit zu gewährleisten (geplant in 2023). Über das REST-API stellt das System LINAX PQ5000CL ebenso die Messdaten zur Verfügung.

Die Cyber Security, gerade in der kritischen Infrastruktur, ist elementar. Aktuell wird berichtet, dass überall, nicht nur in diesem spezifischen Bereich, die Attacken zunehmen und schneller ihre zerstörende Arbeit leisten (z. B. Ransomware Lockbit 3.0, etc.). Und darum stellen auch jegliche ungeschützten Zugänge (z. B. LAN-Ports, USB-Ports, SD-Ports, etc.) ein potenzielles Risiko dar. So auch die Konnektivität-Varianten eines Messgerätes. Sei es über die IT oder auch über das HMI. Man stelle sich vor, die vielen Messdaten auf der Niederspannungsebene, werden manipuliert. Gewollt oder ungewollt. Es entsteht das Chaos pur.

Um dagegen zu wirken, wurden spezifisch Schutzmechanismen direkt in den Messinstrumenten implementiert. Die Schutzmechanismen werden aktuell abgebildet über das sichere Protokoll nach IEC61850, das HTTPS, ein Audit-Log (Logbuch aller Manipulationen), Datenlogger, Zugriffsberechtigungen (RBAC) auf diversen Stufen, Client Whitelist und der Datentransfer auf einen Syslog-Server. Zudem kann die Möglichkeit einer drahtlosen Kommunikation via VPN-Gateway in Betracht gezogen werden (Achtung: Datenaufkommen/Zeiteinheit).

Das System LINAX PQ5000CL lässt sich traditionell im Schaltschrank auf einer DIN-Hutschiene montieren. Oftmals findet sich jedoch kein Platz mehr in den bestehenden Anlagen und der Aufwand, extra einen neuen Schaltschrank aufzustellen, steht in keinem Verhältnis. Warum also nicht einfach die Basiseinheit an die Wand schrauben. Genau für diesen Fall wurde die Basiseinheit in ein staubgeschütztes IP23-Gehäuse verbaut und komplett verdrahtet, inkl. der notwendigen Spannungsversorgung der Current Link Module. Montieren, verbinden, fertig.

Das Current Link System berücksichtigt nicht nur die extrem hohe Mess- und Daten-Performance, sondern nimmt auch Rücksicht auf eine möglichst unkomplizierte Hardwareinstallation als auch der Softwareintegration. Dabei kann die komplette Strom-Messtechnik quasi im Betrieb der Anlage verbaut werden. Die non-invasiven Current Link Module mit der Rogowski-Technologie an den Messschlaufen sorgen für einen reibungslosen, jedoch sicheren Einbau. Durch die koaxiale Ringbusleitung entstehen keine zusätzlichen und aufwändige Verlegarbeiten. Nicht zuletzt, da die Current Link Module auch über die Ringbusleitung mit der notwendigen Betriebsspannung versorgt werden. Entscheidet man sich zusätzlich noch für die integrierte Variante im IP23-Gehäuse, so entfällt sogar der zusätzliche Verdrahtungsaufwand in einem Schaltschrank. Und da das Basisgerät bereits als Datenkonzentrator fungiert, werden aufwendige Messwert-Integrationen im IT-Umfeld um ein Vielfaches reduziert.

Weiterführende Informationen finden Sie hier:

SKALIERBARE SMART GRID ANWENDUNG – WEGBEGLEITER ZUM DIGITALEN NETZMANAGEMENT 

AUF DEM WEG ZU EINEM SMART GRID – GESAMTHEITLICHER ANSATZ AM BEISPIEL DES ELEKTRIZITÄTSWERK DER STADT ZÜRICH (EWZ)

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