Konform zur Norm

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i/O-Systeme – Mit der Norm IEC 61850 werden Engineering und Kommunikation von Schaltanlagen weltweit standardisiert. Daher umfasst das Echtzeit-I/O-System Axioline F von Phoenix Contact Buskoppler und Module, die robust sind, einfach zu handhaben und eine schnelle Datenübertragung ermöglichen.

19. Mai 2016

International sind derzeit im Bereich der Energiewirtschaft noch viele unterschiedliche Übertragungsstandards im Umlauf. Diese Situation stellt die Hersteller energietechnischer Anlagen vor die Herausforderung, den Datenaustausch in ihren Lösungen auf das jeweils einsetzende Land anzupassen. Deshalb haben sich weltweit Lieferanten und Anwender dieser Industriesparte unter dem Dach der IEC zusammengeschlossen und den Standard IEC 61850 »Kommunikationsnetze und -systeme für die Automatisierung in der elektrischen Energieversorgung« entwickelt. Neben der Definition des Kommunikationsprotokolls zielt die Norm im Wesentlichen auf die Sicherstellung der Hersteller-Unabhängigkeit und damit verbunden die Interoperabilität von Geräten verschiedener Produzenten ab. Aus diesen Gründen wird die IEC 61850 zukünftig der Standard für alle Anlagen der Energietechnik sein.

Da die Kommunikation der Norm objektorientiert aufgebaut ist, kommt den genutzten I/O-Systemen eine besondere Aufgabe zu. Die I/O-Signale werden spezifischen logischen Knoten, den Logical Nodes, zugeordnet und als ein gesamtes Objekt übertragen. Dadurch lassen sich komplexe Vorgänge und Geräte für sämtliche Teilnehmer im Kommunikationsnetz verständlich beschreiben.

Weil der Engineering-Prozess ebenfalls eindeutig in der Norm festgelegt ist, greift der Anwender auf vordefinierte Funktionseinheiten zurück, die im hierarchischen Datenmodell in Form einer lesbaren Textdatei beschrieben sind. Diese SCL-Dateien (Substation Configuration Language) bilden die Grundlage für ein vereinfachtes Anlagen-Engineering. Erstellt werden die Konfigurationsdateien durch Engineering-Tools unterschiedlicher Hersteller. Auch hier greift der Gedanke der Interoperabilität und Herstellerunabhängigkeit, indem keine Festlegung auf ein spezielles Tool notwendig ist.

Eine weitere Eigenschaft der Datenübertragung gemäß IEC 61850 betrifft die Zeitstempelung. Jedes Ereignis wird mit einem Zeitstempel versehen, so dass nachvollzogen werden kann, wann es aufgetreten ist. Damit die internen Uhren aller Geräte im System mit möglichst geringer Abweichung voneinander laufen, müssen sie mit einem Zeitserver – zum Beispiel über das Simple Network Time Protocol (SNTP) – sehr einfach synchronisiert werden.

Zur optimalen Umsetzung der oben geschilderten Anforderungen kommt dem flexiblen Aufbau des I/O-Systems eine besondere Bedeutung zu. Diese Flexibilität ergibt sich beim bewährten Echtzeit-I/O-System Axioline F von Phoenix Contact beispielsweise dadurch, dass die Klemmstellen den Attributen der IEC 61850 einfach über das Web-Interface zugewiesen werden. Alternativ kann dies ebenso über eine Textdatei erfolgen, die über File Transfer auf dem Buskoppler abgespeichert wird.

Bei der Auswahl der verschiedenen I/O-Module bietet Axioline F ein großes Spektrum an Modulen für digitale und analoge Ein- und Ausgänge sowie die Temperaturmessung. Speziell für die Energietechnik stehen Module mit einer Stoßspannungsfestigkeit von fünf Kilovolt zur Verfügung, die ohne weitere Maßnahmen an jeder beliebigen Stelle des Systems einzusetzen sind.

Zum Betrieb des I/O-Systems ist keine Programmierung erforderlich, denn die standardisierten Konfigurationsdateien der IEC 61850 enthalten bereits alle benötigten Informationen. Hier wird zudem definiert, über welches Protokoll die I/O-Station kommunizieren soll. Einerseits bietet sich das Manufacturing Messaging Specification (MMS) für den Datenaustausch mit dem Leitsystem an und andererseits die schnelle, Event-gesteuerte Übertragung Generic Object Oriented System Event (Goose) zur direkten Weiterleitung von Informationen zwischen den Endgeräten. Via Goose werden zeitkritische Signale ohne Umweg über das Leitsystem schnellstmöglich an sämtliche Teilnehmer kommuniziert.

Für Axioline F ist es unerheblich, mit welchem Tool die Konfigurationsdatei erstellt worden ist. Über das Web-Interface sind lediglich wenige Einstellungen zu den verwendeten Dateien vorzunehmen. Das komplette Engineering des I/O-Systems bedingt also keine besonderen Tools. Falls sich während der Inbetriebnahme oder später im laufenden Betrieb des Systems der Bedarf nach zusätzlichen oder geänderten I/O-Signalen ergeben sollte, lässt sich Axioline F jederzeit individuell erweitern oder anpassen.

Da sich das I/O-System interoperabel gemäß der IEC 61850 verhält, ist es in der Lage, Daten mit den Leitsystemen unterschiedlicher Hersteller auszutauschen. Ein Zertifikat der KEMA-Prüfstelle bescheinigt Axioline F die normkonforme Kommunikation gemäß IEC 61850. Die Interoperabilität mit verschiedenen Leitsystemen spielt dann eine wichtige Rolle, wenn ein in sich abgeschlossener Anlagenteil – beispielsweise ein Hochspannungstransformator – an unterschiedliche Anwender geliefert werden soll. Dies ist wichtig, weil das genutzte Leitsystem in derartigen Fällen häufig unbekannt ist.

Vielfältige Überwachung

Bei Hochspannungstransformatoren treten vielfältige Signale auf, die speziell auf die Funktion des jeweiligen Transformators abgestimmt sind. Neben der Überwachung von Füllstand und Temperatur des Isolationsmaterials muss die Bildung von Wasserstoff als Indikator für einen Kurzschluss kontrolliert werden. Außerdem wird die gesamte Kühlung des Transformators geregelt. Dazu gehört die Überprüfung aller Lüfter und Pumpen. Darüber hinaus ist die Temperatur der einzelnen Wicklungen zu messen, so dass das Entstehen von Hotspots überwacht wird. Und schließlich dient die Ansteuerung eines Stufenstellers der Anpassung der Ausgangsspannung an die Lastsituation. Andere unspezifische Signale werden über generische logische Knoten erfasst. Hierunter fällt zum Beispiel die Kontrolle der Hilfsspannungen.

Die Verbesserung der Energieversorgung stellt neue Anforderungen an die Leit- und Automatisierungstechnik der Kraftwerke, um für eine geregelte Auslastung der Anlage zu sorgen. Das gilt sowohl für Neubauprojekte als auch für die Modernisierung bestehender Anwendungen. Die Aufnahme der Wandtemperatur an den Kesselrohren eines Kraftwerks erweist sich als gute Möglichkeit zur Sicherstellung der optimalen Befeuerung des Kessels. In diesem Umfeld müssen zahlreiche Temperaturen überwacht werden. So lassen sich abweichende Betriebsparameter erkennen und drohende Kesselschäden rechtzeitig verhindern.

Ein hohes Aufkommen an I/O-Signalen geht von Mittel- und Niederspannungsschaltanlagen im Kraftwerkseigenbedarf ebenso wie in industriellen Verteilungen aus. Hier müssen Sammelschienen, Kuppelfelder und Abgänge kontrolliert und geschaltet werden. Diesem Zweck dient die Erfassung der Zustände und unter Umständen auch die Schaltung der Leistungsschalter. Eine weitere Aufgabe liegt in der Aufnahme der Spannungen und Ströme der Sammelschienen und Abgänge sowie deren Meldung an das Leitsystem.

Auf einen Blick

Das I/O-System Axioline F von Phoenix Contact eignet sich vor allem für die Energieversorgung. Die in modularer Blockbauweise für den Schaltschrankeinbau entwickelte Lösung bietet eine schnelle Reaktionszeit und Installation. Axioline F besitzt zudem eine robuste Mechanik, ein gutes EMV-Verhalten und ist einfach zu handhaben. Schnellanschlusstechnik Push-in und abnehmbare Steck-verbinder für schnelle Verdrahtung sind integriert.

Erschienen in Ausgabe: 04/2016