Feldkommunikation Energiemix zuverlässig überwacht

Autor / Redakteur: Jason Fletcher / Jan Vollmuth

Die zuverlässige Erfassung und Übertragung von Daten kann Betreiber von Windenergieanlagen vor große Herausforderungen stellen. Das Energieunternehmen TransAlta zeigt, wie diese Hürden mit dem Kommunikationsstandard OPC überwunden werden können – sicher und über mehrere Anlagenstandorte hinweg.

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Bei dem Energieunternehmen TransAlta erfolgt eine sichere Datenübertragung über verschiedene Standorte und Kraftwerkstypen hinweg mit Hub-and-Spoke-Lösungen.
Bei dem Energieunternehmen TransAlta erfolgt eine sichere Datenübertragung über verschiedene Standorte und Kraftwerkstypen hinweg mit Hub-and-Spoke-Lösungen.
(Bild: MatrikonOPC)

Mit dem geplanten Atomausstieg in Deutschland rücken erneuerbare Energiequellen wie Windkraft zunehmend in den Fokus. Aber auch Energieträger wie Kohle werden weiterhin genutzt. Doch egal ob fossile oder regenerative Kraftwerkparks: Um die Energieversorgung sicherzustellen und einen effektiven Anlagenbetrieb zu ermöglichen, sind Energiepark- und Netzbetreiber auf die zuverlässige Bereitstellung und Verfügbarkeit von Anlagenbetriebsdaten angewiesen. Sie benötigen exakte Angaben, wie viel Energie ihre Anlagen erzeugen und die Gewissheit, diese Daten zur richtigen Zeit einfach abrufen zu können.

Zudem müssen bei Windparks beispielsweise Wetterdaten und Informationen zu Schaltanlagen gesammelt und ausgewertet werden. Die genaue Datenanalyse und -vorhersage sowie die Planung der Energieabgabe stellen dabei hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Datenübertragung.

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Ein Windpark kann aus Hunderten von Windenergieanlagen bestehen, oft mit Turbinen verschiedener Hersteller innerhalb einer Anlage. Große Energieerzeuger betreiben darüber hinaus meist eine Vielzahl solcher Windparks, die sich in rauer Umgebung befinden – an Land oder auf hoher See. Erschwerend kommt hinzu, dass die Windparks meist weit voneinander und vom zentralen Datenauswertungspunkt entfernt liegen. Eine weitere Hürde ist die Datenübertragung von verschiedenen Energieparktypen, wie es beim Energieerzeuger TransAlta der Fall ist.

Das kanadische Unternehmen TransAlta betreibt 51 Kraftwerke in Australien, Kanada und den USA und hat eine Netzkapazität von 8245 GW in Betrieb. Das Unternehmen setzt bei der Energieerzeugung auf einen Mix aus Kohle, Gas und regenerative Energien, wie Wasser- und Windkraft.

Für die zahlreichen Kraftwerke mit unterschiedlichen Hardware-Systemen mussten jeweils proprietäre Lösungen verwendet werden. Dadurch wird die Bereitstellung essentieller Anlagendaten deutlich erschwert. Den Mitarbeitern fehlen wichtige Informationen als Entscheidungsgrundlage in Echtzeit, zum Beispiel bei der Windradregulierung je nach Leistung der Turbine.

Zu viele unterschiedliche Protokolle zur Datenübertragung

Generell ist bei der Gewinnung und Sicherung von Daten nicht nur eine große Anlagenvielfalt, sondern auch die große Zahl unterschiedlicher Protokolle zur Datenübertragung problematisch. Neben anbieterspezifischen Protokollen werden in der Praxis auch Modbus sowie die Übertragungsprotokolle DNP3, IEC 61400-25, IEC 60870-5-104 und weitere verwendet. Selbst innerhalb der Produkte eines Anbieters kommen verschiedene Protokolle zum Einsatz. Darüber hinaus kann auch der Informationsgehalt der übertragenen Daten je nach Protokoll unterschiedlich detailliert ausfallen, was die Arbeit weiterhin erschwert.

Auch die Datenübertragung selbst stellt eine Herausforderung dar. Die Daten der diversen Windparks, die sich aus den Informationen der einzelnen Windenergieanlagen zusammensetzen, müssen zur Auswertung an einen zentralen Ort übertragen werden. Wie im Fall von TransAlta können auch noch Gas-, Kohle- und Wasserkraftwerke hinzukommen.

Unabhängig von der Art der Energieerzeugung muss gewährleistet sein, dass auch bei Ausfall oder Störung der Datenübertragung keine Informationen verloren gehen. Für Energieparkbetreiber ist es entscheidend, trotz einer Vielzahl von Anbietern, Protokollen und Anlagen in der Lage zu sein, alle Daten gleichermaßen auswerten und sichern zu können.

Herstellerneutraler Kommunikationsstard OPC

Für diese Herausforderungen für Windpark- und andere Anlagenbetreiber hat sich der Einsatz des herstellerneutralen Kommunikationsstandards OPC bewährt. OPC steht für Open Connectivity und ist das weltweit am stärksten verbreitete standardisierte Datenaustauschverfahren der Automatisierungstechnik. Mit diesem Standard lassen sich Daten zwischen Geräten, Controllern und/oder Anwendungen austauschen, unabhängig von den verschiedenen Treibern der einzelnen Hersteller.

Die OPC-Komponenten werden dabei nach dem Client-/Server-Prinzip zwischen der Datenquelle und dem Datenempfänger angesiedelt. Die Kommunikation zwischen OPC-Client und OPC-Server verläuft bidirektional. So lassen sich die Daten zwischen Client und Server austauschen, ohne dass sie etwas über das Verbindungsprotokoll oder die interne Datenorganisation des jeweils anderen wissen müssen.

Für eine optimale Verwaltung und effiziente Nutzung von Windenergieanlagen sind insbesondere die Spezifikationen OPC DA (Data Access) zur Übermittlung von Echtzeitdaten und OPC HDA (Historical Data Access) zur Übermittlung von Verlaufsdaten beziehungsweise historischen Daten notwendig.

OPC DA bietet eine Schnittstelle zum Echtzeit-Datenaustausch zwischen den einzelnen Datenquellen, also zwischen Kraftwerken, Datenarchiven und Analyseapplikationen. Die OPC-Spezifikation stellt dabei sicher, dass die Schnittstellen unabhängig vom zugrunde liegenden System und Hersteller Echtzeitdaten austauschen.

Lösungen von Anbietern wie MatrikonOPC decken dabei am Beispiel von Windparks die gängigen Turbinenprotokolle wie Modbus oder DNP3, IEC 61400-25, IEC 60870-5-104 und weitere ab und bieten Treiber für zahlreiche Windturbinenhersteller, darunter Vestas, Mitsubishi und Siemens.

Hub-and-Spoke-Architektur mit verteilten Prozessdatenarchiven

Aus diesem Grund hat sich das Unternehmen TransAlta für die OPC-Lösungen von MatrikonOPC entschieden. Ziel war es, ein System auf Basis der OPC-Architektur von Grund auf neu zu erstellen. Das implementierte System nutzt eine Hub-and-Spoke-Architektur mit Prozessdatenarchiven verteilt über mehrere Standorte, die via OPC miteinander kommunizieren.

Denn um Echtzeitdaten langfristig analysieren zu können, ist es wichtig, die Informationen in Prozessdatenarchiven zu speichern. Der OPC-Standard bietet OPC Historians als Prozessdatenarchiv zur herstellerunabhängigen Datenspeicherung. Mit Hilfe der OPC-HDA-Spezifikation lassen sich die gespeicherten Daten an jede Analyseapplikation mit entsprechender OPC-Schnittstelle weitergeben. Die für TransAlta implementierte Lösung erlaubt beispielsweise die Überwachung und Auswertung von wichtigen Betriebsdaten der verteilten Anlagen durch Mitarbeiter im Unternehmenshauptsitz.

Datenpuffer an der Datenquelle sichert die Kommunikation

Gerade bei Offshore-Windenergieanlagen und Anlagen mit großer räumlicher Distanz wie bei TransAlta kann es aber auch zu Verbindungsausfällen bei der Übertragung der Echtzeitdaten an die Steuerungszentrale oder das Prozessdatenarchiv kommen. Tritt dieser Fall ein, gilt es zu verhindern, dass die Prozessdaten unvollständig übertragen werden.

Auch hier kann OPC helfen: Ein Datenpuffer direkt an der Datenquelle speichert die Daten bei einer Unterbrechung der Kommunikation zwischen und überführt diese in zentrale Datenbestände, sobald die Verbindung wiederhergestellt ist. Diese Aufgabe erfüllen OPC-Hub-and-Spoke-Lösungen, wie sie bei TransAlta Verwendung finden. Auf diese Weise bleiben Datenübergabe und -integrität gewährleistet. Zudem lassen sich die Daten bereits am Ursprungsort analysieren und Trends ableiten. Der OPC-Standard HDA gewährleistet die unternehmensweite Interoperabilität.

Damit steht Kraftwerks- und Netzbetreibern mit OPC eine Lösung zur Verfügung, die die Standardisierung des Datenzugriffs von unterschiedlichen Anlagen zuverlässig überwachen, und den Betrieb optimieren kann. (jv)

* Jason Fletcher ist Regional Manager EMEA bei MatrikonOPC.

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