Phoenix Contact Deutschland GmbH

Bild: Phoenix Contact Electronics

Funkbasierte Vernetzung von Wechselrichtern Mehr Strom bei weniger Verkabelung

08.05.2017

Die Anzahl der auf Gebäudedächern und im Freifeld installierten Photovoltaik-Anlagen ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Damit die Betreiber hier eine möglichst hohe Rendite erzielen, kommt der zentralen Anlagenüberwachung eine große Bedeutung zu. Mit einem Funksystem lassen sich verschiedene entlegene Dachanlagen zu einem Netzwerk zusammenschließen.

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Sind einzelne Module der Photovoltaik-Anlage defekt oder treten Schäden an der Verkabelung auf, beeinträchtigt dies den möglichen Stromertrag deutlich und verringert somit die Rendite des Anlagenbetreibers. Um für eine bestmögliche Funktionsweise der PV-Anlage zu sorgen, suchen daher sowohl Investoren als auch Betreiber nach einer effizienten Überwachungslösung. Dabei reicht es nicht aus, den Gesamtertrag der Anlage in regelmäßigen Zeitabständen am Einspeisezähler zu kontrollieren. Auf diese Weise lassen sich kurzzeitige Abweichungen nicht erfassen. Zudem können Fehler nur mit erheblichem Aufwand lokalisiert werden, weil der Einspeisezähler lediglich ein Gesamtbild der Anlage liefert. Eine möglichst frühzeitige Erkennung und örtliche Bestimmung von Anlagenproblemen erlaubt hingegen deren zeitnahe Behebung, was über einen längeren Zeitraum anfallende Mindererträge verhindert.

Kontinuierliche Überwachung

Viele Betreiber verfügen weder über die fachliche Expertise noch über die Zeit zur Überwachung ihrer PV-Anlagen. Vor diesem Hintergrund haben sich Unternehmen wie ValloSol auf die technische Betriebsführung regenerativer Energieerzeuger spezialisiert. Die technische Betriebsführung von PV-Anlagen befindet sich in Aichach nahe Augsburg. Von dort aus werden in ganz Deutschland sowohl Freiflächen- als auch Dachanlagen mit einer Gesamtleistung von 135 MWp kontrolliert. Die ValloSol-Mitarbeiter kümmern sich nicht nur um die tägliche Fern­überwachung, sondern ebenfalls um die Instandhaltung und Wartung von PV-Parks. Jede Anlage wird einmal jährlich inspiziert und genau auf mögliche Schäden an den Solarmodulen, Wechselrichtern, Unterkonstruktionen, Kabeln und String-Steckern sowie an der Erdung, am Blitzschutz und den Verteilerkästen überprüft.

Das Wartungskonzept muss individuell auf die jeweilige Applikation abgestimmt sein. Lediglich dann lassen sich die Anlagenkosten gering halten und ein langjähriger Betrieb mit möglichst hoher Stromausbeute sicherstellen. Damit Abweichungen vom Normalbetrieb der Anlage frühzeitig detektiert werden können, sind folgende Voraussetzungen nötig:

  • kontinuierliche Überwachung der Ertragsdaten auf der DC- und AC-Seite in Relation zur Einstrahlung

  • Messung der Erträge auf der String-Ebene

  • zeitnahe Alarmierung – zum Beispiel per SMS oder E-Mail – im Fall von Betriebsabweichungen.

ValloSol bietet darüber hinaus die für eine Fernüberwachung notwendige Hardware an. Gleiches gilt für die Nachrüstung oder den Umbau bereits vorhandener Kommunikationsschränke, weil zum Beispiel neue Auflagen der Energieversorger oder des Gesetzgebers umzusetzen sind.

Hindernisse auf der Übertragungsstrecke

2012 wurde in Aichach ein PV-Kraftwerk mit einer Leistung von 460 kWp in Betrieb genommen. Dessen Planung und Realisierung erfolgte durch die Firma Energiebauern. Die PV-Module sind auf den Dächern von sieben Einkaufszentren installiert worden. Mehrere PV-Module bilden dabei einen String. Die komplette PV-Anlage setzt sich aus insgesamt 117 Strings zusammen. Da die anfallende Datenmenge sehr groß ist, wurde der PV-Park in einzelne Arrays aufgeteilt. Jedes Array umfasst mehrere Wechselrichter und zahlreiche Überwachungskomponenten. In Summe wurden 30 Wechselrichter verbaut, die unter anderem das Loggen der Energiedaten ermöglichen.

Neben der technischen Betriebsführung hat ValloSol in diesem Projekt den Einbau der für die Fernüberwachung erforderlichen Komponenten übernommen. Die Planung der Monitoring-Lösung verantwortete der Service-Koordinator Eric Thümmler. „Die auf den Dächern der Einkaufszentren verteilten Wechselrichter mussten an den zentralen Datenlogger angekoppelt werden“, erläutert Thümmler. Die dezentralen Wechselrichter und der zentrale Datenlogger sind nicht nur einige hundert Meter voneinander entfernt installiert. Zwischen ihnen befinden sich auch viele Hindernisse, weshalb die Verlegung eines Kabels aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht durchführbar war. „Wir haben uns deshalb für das Funksystem Radioline von Phoenix Contact entschieden, das sich flexibel einsetzen und einfach erweitern lässt sowie keine Folgekosten verursacht“, fährt Thümmler fort.

Integration von bis zu 250 Teilnehmern

Die Daten der Wechselrichter werden über eine serielle RS-485-Schnittstelle ausgegeben. Das als Kabelersatz fungierende Radioline-System ist direkt an den RS-485-Ausgang des Wechselrichters angeschlossen. Der zentrale Datenlogger erhält die Messdaten somit per Funk. Durch die Anbindung des Datenloggers an einen Router kann Eric Thümmler aus der Ferne auf die Betriebsdaten der PV-Anlage zugreifen und so Abweichungen bei der Energieerzeugung feststellen.

Da das Radioline-System den Aufbau von Mesh-Netzwerken erlaubt, können bis zu 250 Teilnehmer über Repeater-/Slave-Stationen untereinander kommunizieren. Sobald der Datenaustausch zwischen zwei Stationen unterbrochen ist, wird automatisch ein neuer Übertragungsweg zu einer anderen in der Nähe befindlichen Station gesucht. Auf diese Weise ist die Kommunikation zwischen den dezentralen Wechselrichtern und dem zentralen Datenlogger dauerhaft sichergestellt. „Wegen der in das Funkmodul integrierten Bargraphanzeige und eines RSSI-Signalausgangs (Received Signal Strength Indicator) hat sich die Feinjustierung und Ausrichtung der Antennen als einfach erwiesen“, so Thümmler weiter. Die Radioline-Module wurden speziell für die Weiterleitung von Signalen über große Distanzen entwickelt. Durch ihre Nutzung lassen sich die Messwerte jetzt kontinuierlich aufzeichnen, sodass eventuelle Störungen frühzeitig erkannt und sofort Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.

Einfache Einstellung der Schnittstellen

Als Grundlage des Radioline-Systems, das sich an den besonderen Bedürfnissen industrieller Infrastruktur-Anwendungen orientiert, dient die Funktechnik Trusted Wireless 2.0. Sie schließt die Lücke zwischen Wireless Hart als Lösung für Sensornetzwerke in der Prozesstechnik sowie den in der Fabrik­automation etablierten Funkstandards Bluetooth und WLAN. Je nach Applikationsanforderung stehen verschiedene Einstellmöglichkeiten zur Verfügung. Von der einfachen Punkt-zu-Punkt-Verbindung bis zu selbst heilenden Mesh-Netzwerken lassen sich beliebige Netzwerkstrukturen umsetzen. Zudem kann der Anwender unterschiedliche Netzwerkanwendungen realisieren, beispielsweise eine einfache I/O-Übertragung, den seriellen Kabelersatz oder die direkte Einbindung von I/Os in eine Modbus-RTU-Steuerung.

Eine kostenlos erhältliche Diagnose- und Konfigurations-Software ermöglicht die einfache Einstellung der seriellen Schnittstellen-Parameter der Funkmodule. Die im lizenzfreien 2,4-GHz-Frequenzband arbeitende Technik zeichnet sich neben Robustheit und Zuverlässigkeit durch die Überbrückung großer Reichweiten, gute Diagnosemöglichkeiten sowie die Koexistenz zu anderen im selben Frequenzband funkenden Systemen aus. Durch die Verwendung von Radioline hat ValloSol also den erheblichen Verkabelungsaufwand zwischen den einzelnen Gebäuden eingespart. Ferner lässt sich das Funknetzwerk jederzeit einfach und schnell um weitere Teilnehmer, wie zusätzliche Wechselrichter, ergänzen. Die Lösung funk­tioniert seit mehr als fünf Jahren ohne einen einzigen Ausfall stabil und trägt daher zu einem hohen Energieertrag des Betreibers bei.

Bildergalerie

  • Die Dachfläche von Einkaufszentren lässt sich wirtschaftlich für ein PV-Kraftwerk nutzen

    Bild: ValloSol

  • Mit den Radioline-Modulen lassen sich sowohl serielle als auch I/O-Daten weiterleiten

    Bild: Phoenix Contact Electronics

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