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Industrie 4.0 für Umspannwerke

Ein Reengineering von Umspannwerken mit 3D-Daten, das war vor wenigen Jahren noch Zukunftsmusik. Inzwischen gibt es jedoch wirtschaftliche und effiziente Verfahren, um eine 3D-Modellierung zu erschaffen, die sich nachhaltig für weitere Prozesse nutzen lässt.

Im Zuge des Themas Industrie 4.0 sollen Fabrikprozesse weiter digitalisiert werden, um dann Planungs-, Bau- und operative Prozesse weiter miteinander zu verzahnen. Für Umspannwerke bildet dies zunehmend eine Blaupause. Konkret umgesetzt wird in den letzten Jahren eine hybride 3D-Modellierung der Anlagen, bei der die schematische 2D-Planung der Schaltanlagen, die 3D-Modellierung und die 3D-Dokumentation verschmelzen. Diesen Ansatz verfolgt beispielsweise das Softwareunternehmen Bentley Systems.

Beispiel Terna aus Italien: Der Versorger plant seine neuen Umspannwerke mit einem standardisierten Verfahren, bei dem automatisch die anfallenden Investitionskosten mit berechnet werden. Bild: Bentley Systems Germany GmbH
Beispiel Terna aus Italien: Der Versorger plant seine neuen Umspannwerke mit einem standardisierten Verfahren, bei dem automatisch die anfallenden Investitionskosten mit berechnet werden. Bild: Bentley Systems Germany GmbH

Mit neuen Produkten hat es Bereiche, die heute meist noch als Einzelanwendung (beispielsweise CAE-Systeme) oder nur in Leuchtturmprojekten (3D-Dokumentation) in der Praxis verankert sind, verbunden. Vor rund drei Jahren hatte das Unternehmen die Software Bentley Substation Designer auf den Markt gebracht, die in einem Projekt bei dem spanischen Netzbetreiber Iberdrola entwickelt wurde. Besonderheit dieser Software ist es, dass sie eine Planungsumgebung ermöglicht, bei der die 3D-Modellierung der physischen Anlage und die 2D-Modellierung der schematischen Elektroplanung durchgängig integriert sind. Alle Daten zu dem primären als auch dem sekundären Teil eines Umspannwerkes sind innerhalb einer SQL-Datenbank objektorientiert hinterlegt. Das heißt, geometrische 3D-Daten, elektrische Schaltschemata, Kabel- und Leitungspläne sowie Aufbauskizzen von Schalttafeln sind innerhalb eines integrierten Datenmodells enthalten. Die Planung wird durch Standard-Bibliotheken zu den jeweiligen Bauelementen eines Umspannwerkes unterstützt. Bentley Substation Designer unterstützt sowohl die Planung von neuen Anlagen als auch Reengineering- Projekte. Durch den integrierten Modellierungsansatz werden Planer nicht nur schneller, sie können beispielsweise auch automatisch Stücklisten und Kostenschätzungen erzeugen, da diese Sachdaten den Objekten jeweils direkt zugeordnet sind. „Wir erhöhen damit unsere Produktivität bei der Konzeption von Umspannwerken und vermeiden Fehler, die auf einen Mangel an Projektkoordination zurückzuführen sind“, sagt Juan Torres Pozas, Manager für Netzwerkprodukte bei IBERDROLA Engineering and Construction.

Dass die fachlichen Informationen in dem gleichen Datensatz gespeichert werden wie etwa Anschlusspunkte der Leitungen und die geometrischen Formen, schafft auch einen Nutzen für nachgelagerte Prozesse. „Dieses intelligente Modell kann später für ein risikobasiertes Wartungsmanagement oder neuere Ansätze wie Asset Performance Management weiter verwendet werden“, sagt Hagen Lotz, Regional Director Utilities Central Europe bei Bentley.

3D-Dokumentation integrieren

Dieser Ansatz zur automatisierten Planung kommt vor allem beim Neubau zum Tragen, doch für Reengineering- Projekte fehlte bisher ein entscheidender Punkt: Meist gibt es kein genaues 3D-Modell der bestehenden Anlage. Planungs- und Dokumentationszustand sind teilweise divergent und erhöhen damit die Gefahr von systematischen Planungsfehlern.

In letzter Zeit haben Stromnetzbetreiber verstärkt in die 3D-Dokumentation ihrer Umspannwerke investiert, beispielsweise durch 3D-Laserscanning. So werden As-Built-Dokumentationen erzeugt, die insbesondere den Umbau unterstützen. Sie liefern Informationen zu den baulichen Gegebenheiten, die etwa Aufschluss darüber geben können, ob ein Bauteil mit einem Fahrzeug bis zum Einbauort transportiert werden kann.

Zwei Arten der As-Built- Dokumentation: Links wird per Bentley Context Capture ein Modell mithilfe von Bildaufnahmen erzeugt. Rechts das Beispiel auf Basis von 3D-Laserscannern.
Zwei Arten der As-Built- Dokumentation: Links wird per Bentley Context Capture ein Modell mithilfe von Bildaufnahmen erzeugt. Rechts das Beispiel auf Basis von 3D-Laserscannern. Bilder: Bentley Systems Germany GmbH

Mit den Lösungen von Bentley ist es in den neuesten Versionen nun auch möglich, dass solche Vermessungsdaten auch in die Planungsumgebung integriert werden können. Dafür kommen vor allem zwei Bentley Lösungen in Betracht. Einmal die Punktwolkensoftware Bentley Descartes, die in Bentleys CAD-Basissoftware MicroStation integriert ist. Sie unterstützt die Weiterverarbeitung von Punktwolken, die per 3D-Laserscanning von den Umspannwerken erfasst wurden. „Dieser Ansatz liefert zwar hochgenaue Vermessungsdaten der Anlage, besitzt jedoch den Nachteil, dass dies sehr zeit- und kostenaufwendig ist“, sagt Hagen Lotz. Diese Punktwolken können dann in Bentley Substation Designer verwendet werden.

Alternative ist der Einsatz der Bentley Software ContextCapture, einer Software, die aus 2D-Bildern 3D-Modelle erzeugen kann. Diese neue Lösung unterstützt nicht wie viele andere 3D-Programme die Erstellung von reinen Rasterdaten (Punktwolken), sondern bildet Modelle in einer sogenannten Mesh-Struktur (Gitternetz-Modell). Die Daten besitzen dadurch wesentlich geringeres Datenvolumen als jene von reinen Raster- Punktwolken und können somit einfacher und performanter verwendet werden.

Wesentliches Merkmal liegt darin, dass die Modelle aus 2D-Fotos, die mit handelsüblichen Kameras aufgenommen werden, erstellt werden können. „Man muss lediglich ein paar einfache Grundregeln bei der Bildaufnahme beachten“, weiß Lotz. Dazu gehört etwa das Vermeiden von Gegenlicht oder die großzügige Überlappung der Aufnahmen. Dies ist nötig, damit die Software die Bilder aneinanderfügen (registrieren) kann, um daraus 3D-Daten zu generieren. Zur Vereinfachung können auch Passpunkte manuell eingegeben werden. Jedenfalls kann die Anlage bei einem „Spaziergang” durch die Anlage (oder auch per Überflug mit Drohne) bildlich dokumentiert werden. „Bei einer kleineren Anlage muss man jeweils zwei Stunden für die Aufnahmen vor Ort und den Bearbeitungszeitraum am Computer rechnen. In nur einem halben Arbeitstag entsteht so ein realistisches 3D-Modell“, beschreibt Lotz.

Das französische Unternehmen ERDF beispielsweise nutzt das Verfahren, um seine Umspannwerke in 3D zu modellieren. Diese Informationen sollen dem Unternehmen in vielfältigen Prozessen nutzen. „Man kann auf den Bildern auch die Typenschilder der einzelnen Anlagen-Komponenten erkennen, so dass bei einem Störungsfall mitunter schon Diagnosen vorgenommen werden können, ohne Vor-Ort-Untersuchungen durchführen zu müssen“, weiß Lotz. Durch die Interoperabilität der Bentley-Lösungen sind nun erweiterte Möglichkeiten entstanden, um Plan- und Dokumentationsdaten zu integrieren. Dazu wird das Mesh-Modell aus ContextCapture zunächst von Bentley MicroStation Connect eingelesen (dgn-Format) und dann von Bentley Substation Designer weiter verarbeitet. Die Modellebenen werden dort intelligent verknüpft, das heißt, das reine Mesh-Modell wird vektorisiert und mit den 3D- und 2D-Datenbankinhalten aus der SQL-Datenbank verknüpft.

Dies kann über verschiedene Methoden durchgeführt werden. Einmal können die Betriebsmittel aus der Substation-Datenbank über das Gitternetzmodell platziert werden. Somit werden alle Sachdaten der jeweiligen Position der Bauteile innerhalb der 3D-Dokumentation zugewiesen.

Umgekehrt können Betriebsmittel, die in der 3D-Dokumentation enthalten sind, in das Planungsmodell, in dem sie noch nicht vorhanden waren, überführt werden. Bentley Substation ist dabei in der Lage, 3D-Geometrien aus der Dokumentation automatisch abzugreifen und dann als Betriebsmittelobjekt samt Sach- und Anschlussdaten zu definieren. Auf diese Weise kann der Nutzer beliebige hybride Modellierungen erzeugen und seine Bibliothek an Standardbetriebsmitteln schnell und einfach erweitern. „Der Nutzer kann bei der Erstellung solcher hybrider Modellierungen flexibel entscheiden, welche Teilbereiche er aus der Erfassung des Ist-Zustandes heraus genau nachmodellieren möchte und welche er auf der abstrakten Modellierung der Planung auf Basis der Standardbibliotheken belassen will“, beschreibt Lotz.

Das Beispiel Terna

Ein Kunde des Bentley Substation Designers ist der italienische Stromübertragungsnetzbetreiber Terna. Das Unternehmen nutzte die Professional Services von Bentley zur Erstellung eines „Modularisierten Umspannwerk- Builders”. Terna verwaltet 63.500 Kilometer Hochspannungsleitungen und 491 Umspannwerke. Das Unternehmen hatte im Jahr 2014 einen mehrere Milliarden Euro schweren Investitionsplan für seine Netze verabschiedet. Die Geschäftsführung hatte gleichzeitig ein Projekt zur Standardisierung- und Vereinheitlichung von IT-gestützten Unternehmensprozessen ins Leben gerufen. Dazu benötigte Terna eine neue 3D-Engineering-Plattform, die einen optimierten, intelligenten Modellierungsansatz für die Planung der Umspannwerke unterstützt. Mit der Bentley Substation Lösung wollte Terna vor allem Projektkosten reduzieren – zum Beispiel durch die Eliminierung redundanter Tätigkeiten im Planungsablauf. „Die Software ist in der Lage, in nur wenigen Minuten ein 3D-Modell inklusive Einliniendiagramm zu erstellen”, sagt Hagen Lotz. Dabei werden automatisch Materiallisten und Kosten generiert.

 

Kontakt: Bentley Systems Germany GmbH, Herr Hagen Lotz, 85737 Ismaning, Tel. +49 89 962432-0, hagen.lotz@bentley.com