Bild 1: Kupfer- und LWL-Steckverbinder sorgen auch im Smart Grid für sichere und robuste Verbindungen.

Bild 1: Kupfer- und LWL-Steckverbinder sorgen auch im Smart Grid für sichere und robuste Verbindungen.Phoenix Contact

Die meisten Steckverbinder-Systeme, die heute im Einsatz sind, stammen aus einer Zeit, in der Smart Grid noch kein Thema war. Um die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen, kommen Aspekte wie Redundanz, Robustheit und Wartungszeiten immer mehr zum Tragen. Zahlreiche Netzwerke arbeiten ohne Redundanz, da in vielen Leitwarten noch Stern-Topologien zum Einsatz kommen.

Die schon von den Datennetzwerken bekannten Ring-Topologien erhöhen die Ausfallsicherheit. Höhere Schutzklassen ermöglichen einen Einsatz auch bei widrigen Bedingungen, etwa bei mechanischen Schwingungen, Feuchtigkeit durch Regen oder bei Temperaturschwankungen zwischen direkter Sonneneinstrahlung und Vereisung. Und die Wartungszeiten lassen sich reduzieren, wenn der Austausch der defekten Leitungen mittels Patch-Kabel und Direktstecktechnik vor Ort erfolgt. So reduziert sich auch der Aufwand nach dem Lokalisieren eines Fehlers; durch den Wegfall des Spleißens wird ebenfalls Zeit gespart.

Standardmäßig robust und schnell

In Umspannwerken sind die zahlreichen elektromagnetischen Störeinflüsse eine große Herausforderung für die korrekte und zuverlässige Kommunikation im Ethernet-Netzwerk. Blitzeinschläge, induktive Lastwechsel oder elektrostatische Entladungen sind in derartigen rauen Umgebungen jederzeit möglich. Die Norm IEC-61850-3 definiert Typentests in rauen Umgebungen, sie gibt an, in welchem Umfeld die eingesetzten Komponenten operieren müssen.

Auf einen Blick

Anforderungen an Steckverbinder gibt es viele: ausfall- sowie stecksicher, wartungsarm, schnell, verfügbar, EMV-geschützt und robust sollen sie sein. Die Auswahl des geeigneten Verbindungselements richtet sich zunächst mal nach dem Übertragungsmedium und den Bedingungen, die am Einsatzort vorherrschen. Robust verpackt erfüllen einige Steckverbinder die Schutzklassen nach IP65 und IP67.

Neben ihrer Robustheit und Verfügbarkeit zeichnen sich Ethernet-Kommunikationsnetze auch durch lange Distanzen mit hohen Übertragungsgeschwindigkeiten aus. Außerdem existieren standardisierte Stecker- und Kabelverbindungen. Als Übertragungsmedium kommen Glasfaser- oder Kupferkabel zum Einsatz. Glasfasernetze sind absolut unempfindlich gegen elektrische und magnetische Störungen, und größere Entfernungen lassen sich kostengünstiger überbrücken als bei Kupferverbindungen. Kupferverbindungen sind allerdings noch preiswerter, wenn man die reinen Port-Kosten zugrunde legt. Zu bedenken ist aber, dass für diese Verbindungen noch zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich sind – etwa ein Schirm- und Erdungskonzept sowie der Schutz vor Überspannung und Blitzeinschlägen.

Ein Ethernet-Netzwerk lässt sich mit Kupfer oder mit Lichtwellenleitern – oder auch mit einem Mix aus beiden errichten. Das auch für raue Umgebungen gern genutzte Industrial Ethernet kann auch als Basis für zahlreiche Anforderungen an das intelligente Stromnetz dienen. Mit ihrem großen Temperatur-Einsatzbereich kommen die Leitungen mit allen klimatischen Bedingungen zurecht. Darüber hinaus gibt es mechanische Anforderungen sowie Vorgaben für Biegeradien und UV-Beständigkeit. Ein Nagetier-Schutz wird ebenso gefordert wie – je nach Region – eine Zulassung nach UL (Underwriters Laboratories) oder vergleichbaren Prüflaboren. Kupferleitungen müssen zudem ein gutes Schirmkonzept besitzen.

In rauer Umgebung sicher gesteckt

Bild 2: Der M12-Steckverbinder vom Typ Optic in der Schutzart IP65/67 eignet sich als kompakter LWL-Steckverbinder in rauer Umgebung.

Bild 2: Der M12-Steckverbinder vom Typ Optic in der Schutzart IP65/67 eignet sich als kompakter LWL-Steckverbinder in rauer Umgebung.Phoenix Contact

Die zahlreichen Anforderungen wirken sich auch auf die Steckverbinder aus. Als Steckgesicht für die Lichtwellenleiter kommen meist die Steckverbinder LC-Duplex, ST (B-FOC), oder SC-Duplex zum Einsatz – weitere, wie der SCRJ, sind ebenfalls denkbar. Es kommt darauf an, ob der Steckverbinder in einem geschützten Bereich mit der Schutzart IP20 oder in rauer Umgebung als IP65/67-Steckverbinder zum Einsatz kommt. Die Steckgesichter sind identisch, die Verpackung ist aber deutlich robuster und schützt die Verbindung besser. Deutlich ist das bei der sechs- oder 14-poligen Variante des Push-Pull-Steckverbinders sowie beim Rundsteckverbinder vom Typ M12 Optic (Bild 2) zu erkennen. Der M12-Steckverbinder eignet sich auch für Kupfernetze mit einer vier- bis achtpoligen A-, D- oder X-Codierung. Schutzklassen bis hinauf zu IP69K lassen sich damit erreichen. Die X-codierte Variante erreicht bei der Übertragungsqualität CAT6A mittels Schirmkreuz-Datenraten von bis zu 10 Gbit/s.

Bild 3: Mit Übertragungsraten bis zu 10 Gbit/s sind Kupfersteckverbinder auch für künftige Anforderungen gut gerüstet.

Bild 3: Mit Übertragungsraten bis zu 10 Gbit/s sind Kupfersteckverbinder auch für künftige Anforderungen gut gerüstet.Phoenix Contact

Auch der RJ45, der weltweit zu den populärsten Steckverbindern zählt, erreicht diese Geschwindigkeiten. Damit er auch für künftige Applikationen fit ist, sollte der Anwender auf den CAT6A achten – dieser Standard schützt mit einem 360-Grad-Schirmkonzept vor elektromagnetischen Störfeldern. Auch für den Außeneinsatz gibt es den RJ45 in einer robusten Verpackung für die hohen Schutzklassen der IP65/IP67-Norm (Bild 3).

Globaler Kommunikationsstandard

Energieversorgungs-Unternehmen (EVU) nutzen serielle Verbindungen zwischen den IED (Intelligent Electronic Devices) und der Netzleittechnik (Scada, Supervisory Control and Data Aquisition). Die Grenzen der Datenkommunikation über diese seriellen Verbindungen sind im Smart Grid deutlich zu erkennen. Daher stellen die EVU ihre Kommunikationsstrukturen auf moderne Ethernet-Lösungen um. Die IEC 61850-Norm definiert einen globalen Standard der Kommunikationsarchitektur. Im Bereich der elektrischen Schaltanlagen für Mittel- und Hochspannungstechnik (Substation Automation) beschreibt die IEC61850 ein allgemeines Übertragungsprotokoll. Es umfasst unter anderem:

Bild 4: Beim Smart Grid ist jeder Netzteilnehmer mit der Leitzentrale verbunden – als Basis dient die internationale Norm IEC61850.

Bild 4: Beim Smart Grid ist jeder Netzteilnehmer mit der Leitzentrale verbunden – als Basis dient die internationale Norm IEC61850.Phoenix Contact

  • wichtige Informationen und Festlegungen für Funktion und Geräte in Schaltanlagen,
  • einen Informationsaustausch für Steuerung, Messung, Schutz und Überwachung,
  • eine digitale Schnittstelle für Daten,
  • und eine vereinheitlichte Konfigurationssprache.

Als Basisübertragungsprotokoll dient TCP/IP, zur Client-Server-Kommunikation auf der Basis von IEC61850-8-1 eignet sich MMS (Manufacturing Messaging Specification) und für Peer-to-Peer-Dienste in Echtzeit kommen Goose-Nachrichten (Generic Object Oriented Substation Events) zum Einsatz. Goose-Nachrichten steuern die Geräte über Ethernet-Netzwerke. Ein IEC61850-konformes Ethernet-Netzwerk reduziert somit den notwendigen Planungsaufwand und senkt die Installationskosten.

Smart Grid – das intelligente Netz

Ein intelligentes Netz (Bild 4) funktioniert in einem ständig wachsenden System. Die IEC61850, die als Basis für die Kommunikationsarchitektur zwischen den Schutz- und Feldgeräten dient, findet in der Leittechnik in elektrischen Schaltanlagen der Mittel- und Hochspannungstechnik Verwendung. Ein solches Netz erfordert die Interaktion von Energieerzeugern und -speichern, Netzmanagement und allen Verbrauchern. Ein zeitlich und räumlich homogener Energieverbrauch ist nur durch Steuerung der Verbraucher und Erzeuger sowie der Speicherorte möglich. Die Energienutzung durch die Verbraucher hat zur Folge, dass intelligente Zähler großflächig Einsatz finden müssen. Diese sogenannten Smart Meter ermöglichen dem Energiemanagement eine Fernauslesung, so dass sich so Angebot und Nachfrage in Bezug auf Bedarf- und Preisentwicklung berücksichtigen lässt. Dies geht aber nur mit Echtzeitkommunikation.

Das Zukunftsthema intelligente Netzwerkkommunikation im Bereich der Energietechnik nach IEC 61850 ist eines der Trendthemen im Rahmen der Energiewende. Es ist gleichzeitig ein entscheidender Faktor für ein integriertes Energiesystem auf Basis erneuerbarer Energie sowie Datenkommunikation in Echtzeit. Die Bedeutung der Echtzeitkommunikation wird auch weiterhin steigen, was sich unter anderem in den ehrgeizigen Zielvorgaben vieler Regierungen widerspiegelt.