Definition einer adaptiven intelligenten Mittelspannungsschaltanlage

Die steigende Komplexität moderner Energiesysteme erfordert ein Umdenken und neue Ansätze im Bereich der Verteil- und Schalttechnik. Um den Anforderungen hybrider Energieversorgungssysteme gerecht zu werden, müssen sich Schaltanlagen als zentrale aktive Komponenten hin zu adaptiven Netzknoten entwickeln, die die unterschiedlichen – teils konkurrierenden – Interessen einer Vielzahl an Netzteilnehmern harmonisieren und koordinieren. Diese Netzteilnehmer reichen von rückspeisenden Antrieben über Batteriespeicher bis hin zu industriellen Großverbrauchern.

Vergleichbar zur Transformation von der analogen hin zur digitalen Schaltanlage, bei der digitale Signale und Protokolle (z. B. IEC-104, IEC-61850) bereits erfolgreich in zentrale Netzleitstellen integriert werden, ist nun angesichts steigender Anforderungen und zunehmender Fragmentierung des Energieversorgungssystems ein weiterer Schritt notwendig. Dieser führt zu einer adaptiven, intelligenten Mittelspannungsschaltanlage, die über das reine Schalten und Überwachen hinausgeht und eine aktive Rolle beim Management des Gesamtsystems übernimmt.

Die Weiterentwicklung von einer rein zentralen Intelligenz in Form der Leitstelle hin zu verteilten „intelligenten Energiezellen“ wird dabei zum Schlüssel. Die Schaltanlage bildet das Kernelement einer solchen Energiezelle, die durch offene Schnittstellen und flexible Datenverarbeitung lokal Entscheidungen treffen und die Effizienz des Gesamtnetzes steigern kann. Auf diese Weise entsteht ein aktives Netzmanagement im Rahmen eines Grid-Automation-Layers, der die Anforderungen der Energieversorgung 4.0 erfüllt und Betreibern fundierte Entscheidungsgrundlagen für einen optimierten Systembetrieb liefert.

Konzept der intelligenten Energiezelle

Eine dezentrale Integration sämtlicher kritischer Komponenten – von Erzeugungsanlagen über Transformatoren und Schaltanlagenfelder bis hin zu Sensoren und Aktoren – bildet das Fundament intelligenter Energiezellen. Die Schaltanlage übernimmt dabei als Knotenpunkt eines hybriden Systems auf offenen Standards die lokale Datenerfassung und -analyse. So entstehen nur relevante Kennzahlen und Handlungsempfehlungen, die an übergeordnete Instanzen – etwa Leitwarten oder Cloud-Systeme – weitergeleitet werden. Diese Edge-Intelligenz verkürzt Reaktionszeiten, erhöht die Ausfallsicherheit und schafft ein skalierbares Gesamtsystem, das moderne Kommunikationstechnologien und KI-basierte Methoden nahtlos integriert. Damit wird eine adaptiv gesteuerte Mittelspannungsschaltanlage realisiert, die den Anforderungen der Energieversorgung 4.0 gerecht wird.

Ideen für ein Lastenheft einer intelligenten Mittelspannungsschaltanlage

Im folgenden sollen die Inhalte für ein Lastenheft einer neuen Generation an intelligenten (Smart) Mittelspannungsschaltanlagen festgelegt werden. Hierfür werden ca. 2 DIN A4 Seiten an kurz ausformulierten Stichpunkten gesammelt. Die Inhalte sollten umfassen

• Definition einer smarten Schaltanlage mit Abgrenzung zum Stand der Technik insbesondere zu modernen Leitstellenintegrationen z.B. ISO 61850
• Mögliche Funktionen und der Vorteile gegenüber konventioneller Technik

Dabei verfolgen wir einen ganzheitlichen Ansatz in der die Schaltanlage keine isolierte Komponente sondern Teil eines Systems ist das für die Versorgung der kritischen Infrastruktur beim Kunden verantwortlich ist. Die Schaltanlage steht nicht isoliert sondern ist Teilnehmer eines Verteilsystems in der auch andere Komponenten wie die Verteilstation selbst mit Gebäude, Transformatoren, Schaltfelder, Lüftung, Temperaturüberwachung, Schutzeinrichtung, Messtechnik/Sensorik, Hoch-, Mittel- und Niederspannungsverteilungskomponenten und anderen elektrischen Großverbrauchern und Erzeugern teilnehmen. Moderne verteilsysteme sind keine monolitischen Systeme sondern ein hybrides System mit Komponenten unterschiedlicher Hersteller mit unterschiedlichen Aufgaben, unterschiedlichem Fokus und Schwerpunkten. Teilweise auch mit konkurrierenden Interessen. Rückspeisende Antriebe, Batteriespeicher und Großverbraucher ringen um Bandbreite und sorgen für ein turbulentes Umfeld. Als zentrales Element dieses Verbundes, dem Backbone der Versorgung ist die Schalt- und Verteilanlage für die ganzheitliche Überwachung und aktives Management dieses hybriden Systemverbundes prädistiniert. Das Aufgabenfeld der Zukunft geht dabei weit über die klassischen Schalt- und Überwachungsfunktionen hinaus die heute vor allem in Leitwartensystemen (z.B. unter Nutzung 61850) abgebildet werden. Neben den klassischen Funktionen (Schalten, Überwachen) kommen heute vermehrt Funktionen für einen darauf ansetzenden Ebene, dem Grid-Automation-Layer der ein ganzheitliches Aktives Management aller Netzteilnehmer und deren Bedürfnisse, von der Energieversorger, Einspeisung bis zum Prozess vereint und harmonisiert. Hierfür muss eine neue übergelagerte aktive Management-Ebene auf Basis offener Standards und Architektur geschaffen werden. Das GRIDNOW System ermöglicht die Transformation vom geschlossenen fragmentierten System und dem Vendor-Lock-In hin zu einem offenen, kontextualisierten und harmonisierten Plattform – Energie 4.0 die dem Kunden ein offenes Umfeld zum Austausch mit seinem Energiesystem bietet. System ist als Ergänzung zur Leitwarte zu verstehen.

Denkbare zusätzliche Funktionen eines Smarten Ansatzes – Jeweils Dokumentation, Überwachung und Analyse – Erkennung von Abweichungen zum Tag 1 der Auslieferung

• Stromstärkenüberwachung, Stromüberwachung
• Überwachung von elektrischen Feldern / Feldstärkeüberwachung
• Widerstandsüberwachung von Leitungen und Schaltern
• Überwachung ganze Schaltstation: Transformator, Gesamtprofil, Energieverbrauch,
• Überachung aller Spannungsebenen mit PQ-Sensoren, Integration vorhandener Sensorik
• Bildung von Kennzahlen, Meldung und Überwachung
• Überwachung Lüftungen, Gebläse, Lager und Filtermatten
• Überwachung Luftdrücke, Luftfeuchtigkeit und Temperaturen
• Lichtbogenüberwachung
• Überwachung reales Schaltverhalten
• Einschätzung Risiko zum Widerzusschalten remote / Stichwort Selbstheilende Netze
• Integration von Messtechnik (PQ-Meter, Messgeräte and Verteilungen und Einspeisung)
• Überwachung von USV-Anlagen, Batteriespeicher, Aktive /Passive Filter, Schutzgeräte und Leistungsschalter, Umrichter,… von allem Leistungsfähigen Equipment mit direktem Einfluss auf die Energieversorgung und Verteilung
• Überwachung gegenüber Normen und Grenzwertverletzung (DIN 50160, DIN EN 61000-x,…)
• Überwachung von Schutztüren und Verriegelungen
• Video Kamera/IP-Cams
• Audio-Signale (50Hz) Brummen
• Vibrationssensorik
• Ganzeitliche Auswertungen
• Erkennung von Korrelationen und Wirkzusammenhängen
  • Digitaler ZWilling
  • Grundlage für Planung und Ausbau (Neu, um, Ausbau)
  • SChnelleres Onboarding für mitarbeiter
  • Remote Diagnose und Wartung
  • Reduktion von Wartungskosten
  • Remote Support und Services
  • Prädiktive Wartung - Austausch von Bauteilen nur bei Bedarf
  • Umweltbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, …)
  • Prozess Equipment (Kühlung, Lüftung, Filter, …)
  • Schalthandlung
  • Stromstärke