Überwachung des Stromnetzes im Datenzeitalter: Warum Edge-Computing unverzichtbar wird

Man sollte sich nicht mehr ausschließlich auf die Stromerzeugung und -übertragung konzentrieren. Heutzutage wird ein modernes Stromnetz an anderen Kriterien gemessen: Es muss den Fluss jeder einzelnen Kilowattstunde Strom genau nachvollziehen können und in einer datengesteuerten Netzüberwachungsumgebung sofort reagieren können.

Die Herausforderung liegt in der enormen Menge an Echtzeitdaten, die im gesamten Stromnetz generiert werden. Dazu gehören Schwingungsdaten von Gasturbinen, Stromkurven aus Verteilungsleitungen und Messwerte von intelligenten Stromzählern aus Tausenden von Haushalten. All diese Datenströme sind unverzichtbare Eingangsgrößen für ein modernes Stromnetzüberwachungssystem.

Allerdings “sprechen” diese Datenquellen oft unterschiedliche „Sprachen“. Protokolle wie IEC 61850 und DL/T 645 sind in der Energiewirtschaft weit verbreitet, aber nicht immer miteinander kompatibel. Infolgedessen sind die Daten oft fragmentiert und auf verschiedene Systeme verteilt, was eine integrierte Überwachung des Stromnetzes erschwert.

Gleichzeitig sind herkömmliche, cloudbasierte Architekturen zunehmend nicht mehr in der Lage, die Geschwindigkeitsanforderungen moderner Echtzeit-Netzüberwachungssysteme zu erfüllen. Wenn Daten zur Verarbeitung an eine zentralisierte Plattform übertragen und anschließend wieder an die Feldgeräte zurückgesendet werden müssen, kann bereits eine Verzögerung von wenigen hundert Millisekunden kritische Auswirkungen haben.

Unter sich schnell ändernden Netzbedingungen können solche Verzögerungen dazu führen, dass sich ein lokaler Fehler zu einem großflächigen Stromausfall ausweitet. Aus diesem Grund sind die Echtzeitüberwachung des Stromnetzes und die Fehlerbehebung zu entscheidenden Fähigkeiten für moderne Energieversorger geworden.

Datenexplosion in modernen Überwachungssystemen für Stromnetze

Um die Herausforderung zu verstehen, ist es hilfreich, sich die Gesamtstruktur des Stromnetzes anzusehen. Strom fließt durch eine lückenlose Kette, die Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Verbrauch umfasst.

Auf der Erzeugungsseite existieren Windkraft-, Solar- und Wärmekraftwerke nebeneinander. Der Strom fließt anschließend durch Ultrahochspannungsnetze und regionale Netze, bevor er die Verteilungsnetze und die Endverbraucher erreicht.

Am Rand des Stromnetzes hat die Zahl der angeschlossenen Geräte drastisch zugenommen. Intelligente Stromzähler, Energiespeichersysteme und Ladestationen für Elektrofahrzeuge sind mittlerweile weit verbreitet. Diese Geräte generieren kontinuierlich Daten, die in moderne Überwachungsplattformen für intelligente Stromnetze eingespeist werden.

Dieses Wachstum hat drei große Herausforderungen mit sich gebracht:

• Die Anzahl der Geräte steigt weiter an

• Die Kommunikationsprotokolle werden immer vielfältiger

• Die Anforderungen an die Echtzeitüberwachung und -steuerung des Stromnetzes werden immer strenger

In vielen Anwendungsfällen – wie beispielsweise bei der Auslösung von Schutzrelais, der Überwachung von Netzfehlern, der Fehlerisolierung und der Selbstheilung des Netzes – müssen die Reaktionszeiten im Millisekundenbereich liegen.

Dies wirft eine zentrale Frage für moderne Überwachungsarchitekturen von Stromnetzen auf: Wo sollte die erste Stufe der Datenverarbeitung stattfinden?

Intelligenz näher an die Praxis bringen

Die Lösung besteht nicht einfach darin, größere Cloud-Plattformen aufzubauen. Vielmehr muss die Rechenintelligenz näher an den Ort rücken, an dem die Daten generiert werden – in Umspannwerke, Verteilerstationen und Außenanlagen.

Das ist die Aufgabe eines industriellen Edge-Computing-Gateways für die Überwachung des Stromnetzes.

Ein Edge-Gateway ist nicht nur ein Gerät zur Datenerfassung. Es fungiert als lokaler Verarbeitungsknoten, der Informationen direkt vor Ort analysieren und Entscheidungen treffen kann, wodurch eine Echtzeit-Überwachung und -Steuerung des Netzes am Netzrand ermöglicht wird.

Die EG8200Pro 5G-Gateway für industrielles Edge-Computing wurde unter Berücksichtigung dieser Idee entwickelt.

Es wurde für komplexe industrielle Umgebungen entwickelt und ermöglicht es Ingenieuren, Datenerfassung, Protokollkonvertierung und Logikverarbeitung direkt am Netzrand durchzuführen, wodurch es die Grundlage für ein modernes, dezentrales Überwachungssystem für Stromnetze bildet.

Das Gateway unterstützt zahlreiche Protokolle aus der Industrie und der Energiewirtschaft, darunter DL/T 645, und ermöglicht so die Kommunikation mit Schutzrelais, intelligenten Zählern und anderen elektrischen Geräten verschiedener Hersteller und Generationen. Diese Fähigkeit ist für den Aufbau interoperabler Netzüberwachungsnetzwerke von entscheidender Bedeutung.

Zudem verfügt es über zahlreiche industrielle Schnittstellen wie Gigabit-Ethernet, RS485, RS232 sowie digitale und analoge Ein- und Ausgänge, wodurch es an eine Vielzahl von Geräten angeschlossen werden kann, die in Überwachungs- und Automatisierungssystemen für Stromnetze zum Einsatz kommen.

Um die Bereitstellung zu vereinfachen, verfügt das Gateway über Node-RED, eine visuelle Programmierumgebung. Über eine Drag-and-Drop-Oberfläche können Entwickler Datenverarbeitungsabläufe konfigurieren, ohne Code schreiben zu müssen.

Aufgaben wie Signalfilterung, Berechnungen zur Netzqualität, die Konfiguration von Alarmregeln und grundlegende Steuerungslogik können direkt auf dem Gateway umgesetzt werden. Dadurch kann das Gerät als lokaler Knoten für die Netzüberwachung und -analyse fungieren.

Das Gerät wird von einem 8-Kern-Prozessor angetrieben, der Echtzeit-Edge-Analysen durchführen kann, darunter die Überwachung der Netzqualität und die Aufzeichnung von Störungen – zwei wesentliche Funktionen moderner Smart-Grid-Überwachungssysteme.

Das Design in Industriequalität zeichnet sich durch ein Vollmetallgehäuse und einen breiten Betriebstemperaturbereich von −40 °C bis 85 °C aus und gewährleistet so einen zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen wie Umspannwerken und Außenanlagen, in denen eine kontinuierliche Überwachung des Stromnetzes erforderlich ist.

Was die Konnektivität betrifft, unterstützt das Gateway Ethernet-, 4G-, 5G- und WLAN-Kommunikation. Die Datenübertragung kann durch TLS-Verschlüsselung geschützt werden, wodurch eine sichere Kommunikation zwischen Feldgeräten und Plattformen zur Fernüberwachung des Stromnetzes gewährleistet wird.

Ein praktisches Beispiel: Schnelle Fehlerlokalisierung

Die Vorteile des Edge-Computing werden besonders in realen Betriebsszenarien deutlich.

Betrachten wir eine 10-kV-Verteilungsleitung, die einen Industriepark mit Strom versorgt. Tritt ein einphasiger Erdschluss auf, müssen bei herkömmlichen Systemarchitekturen die Fehlerdaten zur Analyse an ein zentrales Leitsystem übertragen werden, bevor ein Abschaltbefehl an das Feldgerät zurückgesendet wird.

Dieser Vorgang kann mehrere zehn Sekunden oder sogar Minuten dauern, was für die Echtzeit-Überwachung von Netzfehlern inakzeptabel ist.

Während dieser Zeit kann sich der Fehlerlichtbogen zu einem Phasen-zu-Phasen-Kurzschluss ausweiten und möglicherweise einen großflächigen Stromausfall verursachen.

Wenn ein Edge-Gateway wie das EG8200Pro Wird es in der Nähe des Verteilerschranks installiert, ändert sich die Situation grundlegend.

Das Gateway erfasst kontinuierlich Spannungs- und Stromdaten von Schutzgeräten unter Verwendung industrieller Protokolle wie IEC 104 und ermöglicht so die lokale Überwachung des Stromnetzes sowie die Fehlererkennung.

Wird eine ungewöhnliche Veränderung des Nullstroms festgestellt, kann das Gateway die Daten sofort lokal auswerten und eine Schutzmaßnahme auslösen oder über seine digitale Ausgangsschnittstelle ein Steuersignal senden.

Da der gesamte Vorgang lokal abgewickelt wird, lässt sich der fehlerhafte Abschnitt der Leitung innerhalb von Millisekunden isolieren, ohne dass eine Cloud-Kommunikation erforderlich ist.

Diese Art der Edge-basierten Überwachung und Absicherung des Stromnetzes verbessert die Netzzuverlässigkeit erheblich.

Die Stromversorgung in den nicht betroffenen Gebieten kann dann schnell wiederhergestellt werden, was die Widerstandsfähigkeit des Verteilungsnetzes erheblich verbessert.

Zusammenarbeit zwischen Cloud und Edge

Edge-Computing soll die Cloud nicht ersetzen. Vielmehr ergänzt es Cloud-Plattformen, indem es zeitkritische Aufgaben lokal innerhalb der Architektur zur Überwachung des Stromnetzes abwickelt.

Nach der Echtzeitverarbeitung am Netzwerkrand kann das Gateway ausgewählte Daten – wie beispielsweise den Betriebszustand der Anlagen, Indikatoren zur Stromqualität und Fehlerprotokolle – über Protokolle wie MQTT oder HTTP auf Cloud-Plattformen hochladen.

Zu diesen Plattformen können Alibaba Cloud, Huawei Cloud, Tencent Cloud oder private Cloud-Infrastrukturen gehören, die für die groß angelegte Netzüberwachung und -analyse genutzt werden.

Bei dieser Architektur übernehmen Edge-Geräte die sofortigen Reaktionen, während sich die Cloud auf groß angelegte Analysen, die Systemoptimierung und die vorausschauende Wartung konzentriert.

Diese Zusammenarbeit zwischen Edge und Cloud schafft ein widerstandsfähigeres und flexibleres Überwachungssystem für intelligente Stromnetze, das in der Lage ist, dezentrale Energiequellen zu integrieren und gleichzeitig eine zentralisierte Koordination aufrechtzuerhalten.

Eine datengesteuerte Transformation

Die digitale Transformation der Stromnetze findet nicht nur in zentralen Leitstellen statt. Sie erstreckt sich über Tausende von Umspannwerken, Verteilerstationen und Anlagen vor Ort.

Industrielle Edge-Gateways wie das EG8200Pro ermöglichen diesen Wandel, indem sie die Rechenleistung näher an die Geräte heranbringen und es ermöglichen, dass Daten dort einen Mehrwert schaffen, wo sie entstehen.

Durch die Ermöglichung einer Echtzeit-Überwachung des Stromnetzes, die lokale Verarbeitung von Informationen und eine schnellere Reaktion auf Störfälle tragen diese Geräte dazu bei, die Zuverlässigkeit und Intelligenz moderner Stromnetze zu verbessern.