Zuverlässigkeit von Stromlieferanten und Energiesicherheit mit MicroGrids erhöhen

Graham Beauregard, Proclucid Technologies Inc

"Wir standardisierten unsere Entwicklung auf die CompactRIO-Plattform, da es sich hierbei um einen modularen, einsatzfertigen und softwaredesignten Controller handelt, der die von uns benötigte I/O und die erforderliche Verarbeitungsflexibilität bietet."

- Graham Beauregard, Proclucid Technologies Inc

Die Aufgabe:

LocalGrid verbessert überaltete Stromnetze diverser Städte mithilfe von MicroGrids. Dabei handelt es sich um kleine Lösungen für die Stromerzeugung, die aus lokalen Einrichtungen und individuellen Strukturen bestehen, die mit Windkraft- und Solaranlagen ausgestattet sind. MicroGrids verlagern die Stromerzeugung in nächste Nähe zum Verbraucher, wodurch sich die Kosten für Infrastruktur und Brennstoffe verringern. Sie sind außerdem eine kostengünstige Alternative zu groß angelegten Systemen. Jeder Aufbau ist jedoch anders und die Systemsoftware ganz neu einzurichten ist gewöhnlich extrem teuer.

Die Lösung:

Mithilfe des Controllers NI cRIO-9068 und der Software DataFabric™ von LocalGrid, die auf der Plattform NI LabVIEW beruht, können Versorgungsunternehmen und Stromanbieter jetzt schnell und kosteneffizient MicroGrid-Lösungen einsetzen, die modular aufgebaut sind und auf Standards basieren, sodass sie sich leicht an zukünftige Erweiterungen anpassen lassen. Diese Lösung ermöglicht nahtlos eine sichere und hochauflösende Kommunikation über bestehende Netzwerke und Netzwerke mit geringer Bandbreite. Mit ihr können verteilte Übertragungsnetze verwaltet, bessere Einblicke in Belastungen der Netze geboten und die Deckung der Stromnachfrage optimiert werden.

Typische Stromnetze in Nordamerika, die vor 50 bis 75 Jahren entwickelt wurden, nutzen einen zentralisierten Aufbau. Faktoren wie Bevölkerungswachstum, Zersiedelung und Erzeugung erneuerbarer Energien stehen jedoch hinter den Forderungen nach einer dezentralisierten Architektur, die eine fehlertolerantere und skalierbare verteilte Erzeugung ermöglicht. Angesichts des rapide fortschreitenden Technologieeinsatzes und der raschen Verbreitung von erneuerbaren, verteilten Energiequellen als Ersatz für fossile Brennstoffe muss sich das herkömmliche Stromnetz verändern. LocalGrid Technologies zufolge müssen sich Stromversorger auf modernisierte Netze einstellen, bei denen es sich um intelligente, ständig weiterentwickelnde Stromnetze handelt, die auf den Kundenbedarf eingehen, erhöhte Zuverlässigkeit bieten, Energiesicherheit gewährleisten und darüber hinaus für die Einhaltung neuer Umweltnormen sorgen.

 

LocalGrid Technologies führt in Zusammenarbeit mit National Instruments (NI) die Entwicklung einer „intelligenten“ verteilten Stromerzeugung und der MicroGrids an. Die Umstellung auf einen dezentralisierten Ansatz bei der Stromverwaltung ermöglicht die verteilte Erzeugung über die Bereitstellung erneuerbarer Energie, die entweder im Besitz des Versorgers oder des Staats oder über Einspeisemodelle verfügbar ist. Toronto Hydro-Electric System Limited (Toronto Hydro) ist einer der Beteiligten an diesem Projekt. Toronto Hydro ist einer der größten kommunalen Stromversorger in Kanada und hat laut seiner Website ca. 1600 Zubringerleitungen und 719.000 Kunden. Um mehrere Stromquellen effizient nutzen zu können, ist ein dynamisches und flexibles Verteilnetz erforderlich. Dieses Verteilnetz ist ein wichtiger Faktor für die Netzmodernisierung. Toronto Hydro möchte intelligente Steuerung und Überwachung nutzen, um viele der Einschränkungen zu überwinden. Das Intelligent Node Project mit LocalGrid gehört zu den ersten Versuchen in diesem wichtigen Bereich.

 

Die Technologie

Für die Entwicklung einer Steuerungs- und Überwachungsplattform für die Verteilung ist eine flexible Hard- und Softwareplattform mit einem stark modularen, auf Knoten ausgerichteten Ansatz erforderlich, um die Erweiterbarkeit des Projekts zu sichern. LocalGrid wählte daher das Modul NI cRIO-9068 für den LocalGrid-Zellen-Controller, um so Daten von dezentralen Geräten am Zuleitungsnetz zu erfassen und zu verarbeiten. Das Unternehmen wählte es auch für den Cell Asset Node, um die Energiequellenintegration, die dezentrale Netzqualitätsüberwachung und die Verwaltung von Zuteilungsbefehlen zu verteilen. LocalGrid setzte die Systemdesignsoftware LabVIEW für die Entwicklung seiner Software LocalGrid DataFabric ein. Ziel dabei war es, dass Branchenexperten und Netzbetreiber, die bislang nicht mit der Software LabVIEW vertraut waren, anwendungsspezifische Algorithmen lesen, verstehen und sogar schreiben können würden, die für die Geräte im Feld eingesetzt werden.

 

Mit der Plattform CompactRIO erhielt LocalGrid einen einsatzfertigen, softwaredefinierten Controller, der die für eine Standardisierung der Anwendung notwendigen I/O und die erforderliche Verarbeitungsflexibilität bereitstellt. Robustheit, Flexibilität und die produktive LabVIEW-Entwicklungsumgebung – die alle für ein wettbewerbsfähiges Preis-Leistungs-Verhältnis stehen – stellten CompactRIO als eindeutige Wahl im Vergleich zu anderen Controller-Optionen am Markt heraus.

 

Die von LocalGrid entwickelte Systemarchitektur stellt MicroGrid und verteilten Netzanwendungen etliche wichtige Vorteile bereit. Stromversorger können Kosteneinsparungen durch verzögerte Kapitalanlagen erzielen, indem mehr Strom hinter bestehenden Transformatoren erzeugt und mehr Strom außerhalb der Spitzenzeiten über Anlagen verschoben wird. Aufgrund von Daten, die das Netzverhalten beschreiben, können Versorger zielgerichtete Investitionen basierend auf detaillierteren Daten mit hoher Auflösung tätigen, um das Wachstumsmanagement zu optimieren. Die Verfügbarkeit von Echtzeitdaten, Analysen und autonomen Steuerungsaktionen ermöglicht es den Versorgern, bestehende Anlagen effektiver zu nutzen, um Fehler zu isolieren und zu beheben sowie um die Netzstabilität zu verbessern.

 

Die Bereitstellung einer Übersicht über die Energieverwaltung auf Zuleitungsebene gibt Stromversorgungsbetrieben zusätzliche Werkzeuge an die Hand, mit denen sie kosteneffizient Spitzenlasten verwalten, die Netzeffizienz steigern und die Anlagennutzung für neue und alte Infrastruktur verbessern können.

 

Die Stromnetzarchitektur des 21. Jahrhunderts von LocalGrid

 

Netz des 20. Jahrhunderts Netz des 21. Jahrhunderts
Elektromechanisch Digital
Einseitige Kommunikation Zweiseitige Kommunikation
Für die zentralisierte Erzeugung Ermöglicht verteilte Erzeugung
„Blind“ Eigenüberwachung
Manuelle Wiederherstellung Automatisierte Wiederherstellung
Manuelle Geräteprüfung Fernüberwachung der Geräte
Begrenzte Kontrolle über Stromfluss Überall vorhandene Steuerungssysteme
Wenige Auswahlmöglichkeiten Viele Auswahlmöglichkeiten

Tabelle 1: Vergleich der Merkmale moderner Netze

Die Herausforderung bei der Entwicklung eines MicroGrid-Systems bzw. eines Systems zur Verwaltung der Verteiltopologie ergibt sich aus der Tatsache, dass jede Anlage einzigartig ist. Der Aufbau variiert je nach Art und Anzahl der eingesetzten Geräte, der Parameter und der Zielsetzungen des Betreibers. Nur mit der richtigen Mischung aus handelsüblicher modularer Hardware und anspruchsvoller modularer Softwarearchitektur kann ein System, das zu geringen Einsatzkosten zu einem Großteil wiederverwendbar ist, so gestaltet werden, dass es diese vielfältigen Anforderungen erfüllt.

 

 

Das MicroGrid-Projekt umfasst folgende Hauptkomponenten:

  1. den LocalGrid-Zellen-Controller (NI cRIO-9068), bei dem es sich um einen Umspannwerk-Controller zum Erfassen und Verarbeiten von Daten von dezentralen Geräten an einem Zuleitungsnetz handelt
  2. den Cell Asset Node (NI cRIO-9068), der für die Integration verteilter Energiequellen, die dezentrale Überwachung der Netzqualität und die Verwaltung von Zuteilungsbefehlen verwendet wird
  3. zentralisierte Verwaltungswerkzeuge zur Überwachung und Konfiguration der dezentralen Geräte
  4. Integration von Hauptbetriebssystemen und bestehenden Geräten

 

Überlegungen zur Entwicklungsplattform und zum NI cRIO-9068

LocalGrid setzte zuerst den Controller NI cRIO-9076 auf Basis eines Echtzeitbetriebssystems von VxWorks ein. Die Anwendung wurde allerdings auch auf den cRIO-9068 übertragen, der umgehend etliche zusätzliche Vorteile bot, darunter erhöhte Prozessorleistung, einen größeren FPGA, Zugang zu einem offenen Ökosystem für das Echtzeitbetriebssystem und verbesserte Robustheit.

 

Innerhalb von 24 Stunden nach Erhalt des ersten NI cRIO-9068 waren Ingenieure von LocalGrid in der Lage, ihre LabVIEW-Anwendung vom NI cRIO-9076 zu übertragen und eine deutliche Steigerung der Prozessorleistung festzustellen. Bei Vergleichen führte der Single-Core-Prozessor mit 400 MHz des NI cRIO-9076 die Anwendung erfolgreich mit einer Prozessorauslastung von 70 Prozent durch. Ingenieure stellten aber eine vierfache Leistungssteigerung mit dem Prozessor des NI cRIO-9068 fest, der genau denselben LabVIEW-Code ausführte, welcher eine Prozessorauslastung von 17 Prozent hatte. Zusätzlich zur gesteigerten Prozessorleistung konnten mehr Verarbeitungsalgorithmen innerhalb eines größeren FPGAs untergebracht werden.

 

Neben den Leistungssteigerungen profitiert LocalGrid auch vom Linux-basierten Betriebssystem mit offenem Ökosystem, mit dem Ingenieure Anwendungen von Drittanbietern wie etwa Mono (ein C#-Compiler) einfacher ausführen können. Die Benutzer- und Anwendungssicherheit, die das Betriebssystem bietet, sorgt zudem für einen sichereren Einsatz der Lösung im Feld. Dank des erweiterten Temperaturbereichs des NI cRIO-9068 von -40 °C bis 70 °C ist ein Einsatz unter rauen Umfeldbedingungen ebenfalls möglich.

 

Die Anwendungssoftware DataFabric von LocalGrid

Die LocalGrid-Software DataFabric ist ein einfach zu erweiterndes verteiltes Steuerungs- und Überwachungssystem. Es erlaubt u. a. Hochgeschwindigkeitserfassung, Datenloggen und Steuerung mit Datenreduktion von verteilten Knoten bis hin zum Verwaltungsnetzwerk. Ein dezentralisierter Steuerungsaufbau verlagert die Entscheidungsfindung zum dezentralen Gerät. Dadurch steigt die Fehlertoleranz und sinkt der Bedarf für eine äußerst zuverlässige Kommunikationsleitung mit hoher Bandbreite. Anwenderspezifische Berechnungen und Analytik innerhalb der Software lassen sich an einer zentralen Stelle entwickeln und dann dezentral auf den Geräten einsetzen. Über die NI-Plattform können LocalGrid-Ingenieure auch die umfassenden Toolkits für die Leistungsmessung, Kommunikation und Industriezertifikate für diese Plattform nutzen. Die Anwendung arbeitet mit dem DNP3 (Distributed Network Protocol), das Teil der Plattform ist, sowie mit der NI Electrical Power Suite, um Online-Analysen und Berechnungen von Leistungsignalen durchzuführen. Diese Protokolle sind obligatorisch, und mithilfe der NI-Plattform samt Toolkits, die bereits zertifiziert und geprüft sind, konnte LocalGrid Kosten und Aufwand reduzieren.

 

Kommunikations- und Nachrichtenarchitektur und -datenbank

Ein wichtiger Bestandteil der Netzwerkarchitektur ist die Kommunikationsschicht, die für die Skalierbarkeit, Effizienz und Flexibilität des verteilten Netzwerks eine entscheidende Rolle spielt. LocalGrid wählte den Standard Data Distribution Services (DDS), der mit dem Connext DDS Toolkit von Real-Time Innovations (RTI) implementiert wird, da das Protokoll speziell für verteilte Kommunikationsnetzwerke mit ablaufkritischen Anwendungen entworfen wurde und plattformübergreifende Kompatibilität für Windows, Linux und VxWorks unterstützt. Die Datenbank für die Verwaltung von eingehenden Daten, Analyseergebnissen und der Netzwerkkonfiguration basiert auf der RDM-Embedded-Datenbank von Raima. Dabei handelt es sich um eine plattformunabhängige Datenbank speziell für Embedded-Anwendungen. So konnte LocalGrid Daten plattformübergreifend mit derselben Datenstruktur und derselben Architektur austauschen, was sich als viel effizienter erwies.

 

Vorteile der Systemarchitektur

Die durch CompactRIO mögliche Systemarchitektur stellt MicroGrid und verteilten Netzanwendungen folgende wichtige Vorteile bereit:

  • Hohe Effizienz, sichere Kommunikation und Zusammenfassung von Daten, die über periodische Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit geringer Bandbreite übertragen werden
  • Möglichkeit, Software auf weniger leistungsstarken Embedded-Zielsystemen mit geringem Speicherplatz sowie auf anspruchsvollen Systemen einsetzen zu können, um die Anzahl angebundener Geräte und Kanäle sowie benutzerdefinierte Algorithmenverarbeitung auszuweiten
  • Datenbenachrichtigung unterhalb des Millisekundenbereichs und Erweiterbarkeit mit entsprechenden Kommunikationsverbindungen
  • Erweiterbar auf tausende Geräte mit nur geringem Mehraufwand
  • Deterministische Leistung aufgrund geringer Latenz und geringem Jitter
  • Plattformübergreifender, von der Programmiersprache unabhängiger Entwurf mit Programmierschnittstellen (APIs) für viele aktuelle Prozessorarchitekturen und Betriebssysteme sowie APIs für C, C++, C#, Java, LabVIEW und Webdienste
  • Offene Architektur und normbasierte/standardbasierte Spezifikationen und Technologien

 

Ohne die modulare Software- und Toolkit-Architektur auf Basis von LabVIEW und der CompactRIO-Plattform hätten die Ingenieure bei LocalGrid nicht das für das moderne MicroGrid erforderliche modulare, verteilte und flexible System im vorgegebenen Kostenrahmen und mit der gewünschten Leistung erstellen können. Zukünftige Netzinfrastrukturen müssen flexibler, erweiterbar und an den Bedarf der Verbraucher anpassbar sein. Ein statisches Netz, das sich im Laufe von 40 Jahren nicht verändert, wird den Anforderungen der sich rasch wandelnden Gesellschaft und der rasanten technologischen Entwicklungen nicht genügen. Durch den Einsatz intelligenterer, modularer und anpassbarer Quellen und Architekturen für die Stromerzeugung können wir den Bedarf sowohl in den Industriestaaten als auch in den sich entwickelnden Ländern effizienter decken.

 

©2013 National Instruments. Alle Rechte vorbehalten. CompactRIO, LabVIEW, National Instruments, NI und ni.com sind Marken von National Instruments. Andere erwähnte Produkt- und Firmennamen sind Warenzeichen oder Handelsbezeichnungen der jeweiligen Unternehmen.

 

Informationen zum Autor:

Graham Beauregard
Proclucid Technologies Inc

Abb. 1: LocalGrid-Netzwerkarchitektur