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01.04.2019 Fachinformation 359 0

Automatisierung des Stromversorgungsnetzes

Das elektrische Stromnetz wird derzeit mit Hilfe von IEC-Normen modernisiert.

IEC-Logo

Von Catherine Bischofberger

Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human Machine Interfaces, HMI) spielen eine wichtige Rolle bei der Netzautomatisierung. Aktuell ist eine IEC-Norm in Arbeit, um diese Systeme anbieterunabhängig zu definieren.

Das Verhältnis zwischen Menschen und Maschinen gilt derzeit als ziemlich angespannt. Die Nutzung von Automatisierungstechnik und Robotern in zahlreichen Industrien – vom heimischen Umfeld ganz zu schweigen – hat eine wachsende Zahl von Ängsten hervorgerufen.

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Ganz anders stellte sich die Situation im späten 19. Jahrhundert dar, als man sich von der Einführung der ersten Maschinen eine Entlastung der Menschen von schwerer Arbeit und langen Arbeitszeiten unter beschwerlichen Umständen versprach. Insbesondere Familien profitierten von den Vorteilen zeitsparender Hilfsmittel und Geräte. Waschmaschinen, Geschirrspülmaschinen und Mikrowellengeräte wurden im Laufe des 20. Jahrhunderts zu Konsumgütern für den Massenmarkt.

Heutzutage machen wir uns Sorgen, dass Roboter uns die Arbeit wegnehmen und intelligenter werden könnten als wir. Aber egal ob es uns gefällt: Die Zukunft wird von einer immer stärkeren Interaktion mit Maschinen bestimmt werden, die auf die eine oder andere Art erfolgt. Mit der Intensivierung dieses Trends wird die Beherrschung von Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) immer wichtiger für uns werden, da es uns diese Technologie ermöglicht, Maschinen zu steuern und mit ihnen zu interagieren. Wenn die drei Buchstaben „HMI“ auch nur wie eine weitere Abkürzung erscheinen, sind sie doch einer der Schlüssel zu unserer Zukunft. Und in den Bereichen Stromerzeugung und -übertragung sind HMI bereits allgegenwärtig. Sie sind ein wesentlicher Baustein zur Modernisierung des Stromversorgungsnetzes.

HMI und das Stromversorgungsnetz

HMI sind in Kraftwerken und Schaltanlagen ebenso zu finden wie in Windparks und Solarenergieanlagen. Nach dem IEC-Glossar handelt es sich dabei um einen Bildschirm, bei dem es sich entweder um einen Teil eines intelligenten elektronischen Geräts (intelligent electronic device, IED) oder um ein eigenständiges Gerät handelt, das relevante Daten in einem logischen Format darstellt und mit dem der Benutzer interagiert. Eine HMI stellt üblicherweise Fenster, Symbole, Menüs und Zeiger dar und kann auch ein Tastenfeld beinhalten, um Benutzerzugang und -interaktion zu ermöglichen.

Die Stromversorgungsnetze werden zunehmend mit „smarten“ Funktionen ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, Energie effizienter und effektiver zu nutzen. HMI sind meist das hervorstechendste Merkmal dieses Prozesses. Die Anwendung von HMI spielt eine wichtige Rolle, z. B. bei der Visualisierung und Steuerung der Automatisierungssysteme von Schaltanlagen oder bei der Überwachung des Echtzeitstatus eines Windparks bzw. einer Solarenergieanlage.

Ingenieure, Techniker und Betreiber sind auf die von den IED erfassten und weitergeleiteten Informationen angewiesen, um sich ein klares Bild vom Status der Schaltanlage und der dezentralen Energieversorgung (Distributed Energy Resources, DER) zu verschaffen. Bei diesen DER kann es sich z. B. um Windturbinen, eine Solarenergieanlage oder Mikronetze handeln. Mit der fortschreitenden Modernisierung des Stromversorgungsnetzes steigt somit auch die Abhängigkeit von HMI-Anwendungen, und die Betreiber benötigen Unterstützung bei der Überwachung und Steuerung von Systemen mehrerer verschiedener Anbieter.

HMI-Anwendungen basieren auf graphischen Bausteinen, zu denen Grundformen, Farben, Text, Formulare oder Seiten zur Kommunikation und zum Informationsaustausch zählen. Die Versorgungsunternehmen verlangen immer stärker nach HMI, die mit IED beliebiger Anbieter zusammenarbeiten, sodass nur ein geringer manueller Konfigurationsaufwand entsteht. Eine anbieterunabhängige Lösung würde die Installation vereinfachen, die Wartungskosten senken und die Komplexität von Automatisierungssystemen für die Stromversorgung verringern. Sie würde die Interoperabilität von IED unterschiedlicher Anbieter erleichtern und datengesteuerte Konfigurationen unterstützen, die die Arbeitslast auf Werkzeuge statt auf Menschen übertragen.

Leider werden alle graphischen Komponenten und Bausteine einer HMI proprietär von den verschiedenen HMI-Softwareherstellern zusammengestellt. Bislang existieren keine genormten Verfahren für Spezifizierung, Entwurf und Inbetriebnahme von HMI-Anwendungen.

Neue internationale Norm in Arbeit

Aber dies ändert sich gerade: Die IEC arbeitet derzeit an einem neuen Dokument zur Definition der Konfigurationssprachen, die zur Realisierung digitaler Schaltanlagen, einschließlich der Anwendung von HMI, erforderlich sind. Derzeit wird ein Entwurf für die Norm erarbeitet, die Teil der Normenreihe IEC 61850 sein wird. Diese Reihe beinhaltet einige der grundlegenden internationalen Normen, die zur Integration digitaler Kommunikationsprozesse in das existierende elektrische Versorgungsnetz verwendet werden.

Eine der Zielsetzung der neuen Publikation besteht in der automatischen Generierung der HMI-Anwendung, einschließlich aller zugehörigen Datenmappings und des graphischen Renderings. Dies entbindet Betreiber, Ingenieure oder Techniker von der Verpflichtung, eine manuelle Konfiguration des Schaltanlagensystems durchzuführen und spart so Zeit und Kosten für Versorgungseinrichtungen durch effizientere Ressourcennutzung.

Außerdem wird so das Risiko menschlichen Versagens ausgeschaltet. „Man könnte es als ‚Magie‘ bezeichnen: Statt Wochen und manchmal sogar Monaten mit der Konfiguration der HMI-Anwendungen zu verbringen, wird es nur noch Minuten oder bei kleineren Schaltanlagen sogar nur Sekunden dauern“, so Dustin Tessier, Leiter der Taskforce, die für das neue Normprojekt bei der IEC zuständig ist.

Innovation aus Kalifornien

Das HMI-Dokument stützt sich auf eine Proof-of-Concept-Technologie, die von der Southern California Edison (SCE) wurde, einem der wichtigsten Stromversorgungsunternehmen für große Teile Südkaliforniens. Von vielen in der Stromübertragungsbranche wird SCE als Orientierungspunkt gesehen: Andere Versorgungsunternehmen folgen den Technologiefahrplänen des Unternehmens, dessen datengesteuerte HMI-Anwendung nur ein weiteres Beispiel seiner technologischen Kompetenz ist. Die HMI ist Teil einer Schaltanlagen-Automatisierungsarchitektur der 3. Generation auf Grundlage der Normenreihe IEC 61850, die von dem Unternehmen entwickelt wurde.

Mehrdad Vahabi ist einer der Ingenieure, die am HMI-Prototypen mitgearbeitet haben. „Southern California Edison war schon immer ein vorausschauendes Versorgungsunternehmen. In den Jahren 2010-11 entschied sich das Unternehmen, das Stromversorgungsnetz zu modernisieren. HMI waren damals zwar schon in Gebrauch, jedoch handelte es sich dabei um proprietäre Systeme, die eine Reihe von Problemen aufwarfen, die Kosten verursachten, manuelle Arbeiten erforderlich machten, einen gewissen Zeitaufwand zur Durchführung von Änderungen an den Systemen mit sich brachten und einiges mehr. Diese Probleme mit existierenden Systemen waren einer der Hauptgründe für uns, eine Schaltanlagen-Automatisierung der 3. Generation zu entwickeln“, erläutert Vahabi.

Bei ihren Forschungen stießen die SCE-Ingenieure auf die Normenreihe IEC 61850 und deren Anwendungen für die Schaltanlagen-Automatisierung. „Die Normen erwiesen sich als sehr nützliches Werkzeug, jedoch war der HMI-Teil noch nicht genormt. Wir nahmen Kontakt zu den IEC-Experten auf, die an diesen Aspekten arbeiten. Wir gingen daran, unseren Prototypen in der Praxis zu implementieren und gaben unsere Daten an die IEC-Experten weiter, sodass sie beim Entwurf des neuen IEC-Dokuments berücksichtigt werden konnten“, fügt Vahabi hinzu.

SCE hat bereits mit der Implementierung der neuen HMI in seinen Schaltanlagen begonnen. „Unser Plan sieht vor, bis 2028 400 Schaltanlagen mit dieser SA-3-Technologie zu automatisieren“, gibt Vahabi an. Im weiteren Verlauf plant das Unternehmen die Erstellung des Prototyps eines vollständig virtualisierten Schaltanlagen-Automatisierungssystems im Labor.

Wir leben in einer Welt, die sich in atemberaubenden Tempo weiterentwickelt und immer komplexer und unübersichtlicher wird. Aber mit HMI verfügen wir über Werkzeuge, die mit dazu beitragen können, diese Komplexität zu bewältigen. Und das Stromversorgungsnetz bietet eine hervorragende Gelegenheit, damit zu beginnen.

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