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Industrieelektronik Gezielt gesteuert

04.11.2015

Ein essenzieller Bestandteil der Einführung des Industrial Internet of Things (IIoT) ist es, eine Unzahl von mechanischen und elektrischen Systemen ans Internet anzubinden. Im Bereich der Stromnetze bietet das IIoT den großen Vorteil, dass sich damit die Netze einfacher messen und analysieren lassen. Auch der Verbrauch kann bis auf die Ebene einzelner Nutzgeräte optimiert werden. Das IIoT unterstützt damit die Entwicklung eines intelligenten Stromnetzes, auch Smart Grid genannt.

Das Smart Grid funktioniert, vereinfacht gesagt, in etwa wie ein Konto bei einer Bank. Zunächst wird das eingezahlte Geld gezählt, das übernimmt ein Messgerät, dann werden die Finanzen verwaltet, das entspricht der Umspannstation. Der wichtigste Aspekt eines effizienten, smarten Stromnetzes ist das so genannte Spitzenlastmanagement. Es ist also eine präzise Überwachung des Lastenmanagements nötig, um die Nachfrage bestmöglich zu bedienen. So können Einrichtungen, die dezentrale Energiespeichertechnologien einsetzen, die außerhalb der Stoßzeiten vor Ort erzeugte, überschüssige Energie zurück ins Stromnetz einspeisen.

AMI: Advanced Metering Infrastructure

Zum Einsatz kommt dabei eine Advanced Metering Infrastructure (AMI). Darunter versteht man eine elektrische Architektur, die Stromnetze mit Zwei-Wege-Kommunikation für das Messen, die Analyse und die Optimierung der Energienutzung versorgt. Die Vernetzung ist bis zu den einzelnen Geräten der Endanwender hin möglich. Durch die AMI können Endanwender-Geräte mit lokalen intelligenten Messgeräten kommunizieren, welche wiederum mit dem zentralen Energieversorger und den Umspannstationen verbunden sind. Somit ist die Koordination und Anpassung des Stromnetzes durch Systeme, die die Messdaten verwalten, möglich. AMI spielt eine wichtige Rolle bei den Funktionen des Smart Grids, einschließlich Nachfragereaktion, Automatisierung der Verteilung und weiterer Facetten der Optimierung. Das industrielle Internet of Things macht intelligente Messgeräte und das Smart Grid in diesem Zusammenhang sogar noch intelligenter. Bei der AMI wird zwischen einer Hoch- und einer Niederspannungs-AMI unterschieden.

In der Hochspannungs-AMI nehmen Funk-Gateways als Messgeräteschnittstellen eine Schlüsselfunktion ein. Die Einheiten fungieren als Haupt-Gateway für intelligente Messgeräte, die von Nutzern mit großem Bedarf, wie Fabriken, Schulen oder Geschäftsgebäuden eingesetzt werden. Dazu muss der Funk-Gateway sowohl das öffentliche Funknetzwerk, als auch Funk-Technologien im Privatbereich unterstützen.

Ein essenzieller Bestandteil der Niederspannungs-AMI-Architektur ist der Datenkonzentrator. Er dient als Hauptzugang für alle intelligenten Messgeräte, die in ein benachbartes Netzwerk, Neighbourhood Area Network (NAN), eingebunden sind. Der leistungsstarke Vermittler erfasst und konsolidiert Daten von lokalen Messgeräten und führt grundlegende Analysen durch, bevor er die Daten an die Leitstelle des Smart Grids weitergibt. Datenkonzentratoren müssen unter extremen Umgebungsbedingungen im Feld zuverlässig arbeiten. Dabei sind sie Temperaturschwankungen, Staub und Feuchtigkeit ausgesetzt. Für die Kommunikation sind sowohl serielle Ethernet- und Powerline-Schnittstellen, als auch eine ZigBee-, Wi-Fi- und 3G Funk-Unterstützung nötig.

OpenADR für die Spitzenlastverwaltung

Die präzise Kontrolle von Geräten für das Lastmanagement erfolgt über fortschrittliche Programme zur Nachfragereaktion (Demand Response). Die Nachfragereaktion misst, wie der Energieverbrauch von Endnutzern sich verändert, wenn der Energiepreis sich über die Zeit verändert oder wenn bei hohen Großhandelspreisen oder gefährdeter Systemstabilität Erfolgsprämien für eine reduzierte Energienutzung eingesetzt werden. Sie gibt also Auskunft über die Abweichungen vom üblichen Energiekonsumverhalten. Demand-Response-Programme helfen Energieanbietern die Zuverlässigkeit des Netzes stabil zu halten und zeigen den Endkunden deutliche Werte auf.

Um Demand Response mit einem offenen Standard auszustatten, wurde 2010 die US-amerikanische OpenADR Alliance gegründet. Energieanbieter sind dadurch in der Lage, den steigenden Energiebedarf kosteneffizient zu befriedigen, während die Kunden die Kontrolle über ihre energetische Zukunft haben. Im europäischen Raum verfolgen Firmen wie Enernoc oder Comverge vergleichbare Ziele; allerdings mit kostenintensiven proprietären Plattformen.

Moxas AMI-Produkte arbeiten mit OpenADR für die Spitzenlastverwaltung. Der Embedded Computer UC-8100 ist eine OpenADR 2.0a/b-konformer virtueller Endknoten und Teil der SAVE-Plattform des taiwanesischen Institute for Information Industry. Das Cloud-basierte Nachfrage-Steuerungssystems SAVE bietet Schnittstellen an, die mit Gebäudeautomatisierungs-Geräten und -systemen kommunizieren können. Damit lässt sich das Bedarfsmanagement für das Smart Grid und für intelligente Gebäudeanwendungen realisieren.

Bildergalerie

  • Moxas UC-8100 ist eine Cloud-basierte RISC-Computing-Plattform mit ARMv7 Cortex für den Einsatz im Smart Grid.

    Bild: Moxa

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