Gehirn für die Station

25.08.2021 – Die dezentral einsetzbare Systemlösung GridCal zielt darauf ab, die Verteilnetze wirtschaftlicher und sicherer zu digitalisieren. Entwicklungspartner war auch die Netz­gesellschaft Niederrhein (NGN).

Die Notwendigkeit und die Potenziale einer möglichst weitreichenden Digitalisierung der Verteilnetze sind mittlerweile allen Experten klar. Auch Martin Breitenbach, bei der Netzgesellschaft Niederrhein mbH tätig in den Bereichen Planung und Asset Management, hat dazu eine klare Meinung: „Mehr als 95 Prozent der Verteilnetze in Deutschland sind nicht digitalisiert und viele könnten effizienter sein“, betont er und verweist auf die dringlichen Aufgaben im Zuge der Energiewende. Konkreter Bedarf für Netzanalysen und Steuerung ergab sich für die NGN bei der Konzessionsübernahme des ländlichen Netzgebietes Wachtendonk und Straelen, wo der regenerativ erzeugte Strom bereits 2010 den Verbrauch deutlich übertraf. „Auch für den Ausbau der Ladeinfrastruktur müssen wir wissen, was in den Ortsnetzen los ist“, ergänzt er und verweist auf die Potenziale in den auf Sicherheit ausgelegten Verteilnetzen.

Ortsnetzstation NGN+PSI
Foto: PSInsight GmbH

Die am Markt verfügbaren Technologien konnten den Pragmatiker Breitenbach, der seine berufliche Laufbahn im Handwerk begann, nur eingeschränkt überzeugen – die meisten Lösungen waren nach seiner Einschätzung schlicht zu teuer und zu kompliziert. Inzwischen arbeitet die NGN mit der PSInsight GmbH zusammen, einem StartUp aus der Hochschule Düsseldorf, das mit GridCal ein innovatives Systemkonzept auf Basis der Anforderungen von Stadtwerken und Netzbetreibern umgesetzt hat. Die NGN will bis Ende des Jahres mit über 600 GridCal-Stationen – das entspricht einem Anteil von etwa 70 Prozent – die Basis für ein digitales Verteilnetz schaffen.

Entwicklung aus der Praxis

GridCal wird seit dem Jahr 2016 außer mit der NGN auch in Zusammenarbeit mit der Vorarlberger Energienetze GmbH und diversen Industriepartnern entwickelt. Frühzeitig wurden auch erste Ortsnetzstationen in Deutschland und Österreich ausgerüstet. Im Jahr 2018 wurden Ladesäulen für die Elektromobilität und ein Blockheizkraftwerk netzdienlich und dezentral direkt aus einer GridCal-ONS gesteuert. Im Jahr 2020 präsentierte PSInsight weitere Softwarebausteine für ONS sowie für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungs-Netzen „Alle Funktionen stammen aus der Praxis und lassen sich hier problemlos einsetzen“, erklärt Dr. Philipp Huppertz, Geschäftsführer von PSInsight. „Wir möchten mit unserem Produktportfolio jedem Netzbetreiber – egal auf welcher Stufe er sich bei der Netzdigitalisierung befindet – die Möglichkeit geben, sein Netz so wirtschaftlich und selbständig wie möglich zu digitalisieren.“

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Modulare Ausbaustufen ermöglichen ein digitales Mitwachsen per Softwareupdates. Grafik: PSInsight GmbH

Evolution statt Revolution

Eine Grundüberlegung bei PSInsight war bisher, dass in der Mehrzahl der Stromnetze keine akuten Engpasssituationen, sondern hauptsächlich Ineffizienzen bestehen – und somit für die Netzbetreiber keine dringliche Veranlassung besteht, umfangreiche Investitionen zu tätigen. Heute sieht es anders aus und auch das Thema der Netzengpässe rückt mehr in den Fokus der Netzbetreiber.

Zusätzlich gibt Philipp Huppertz zu bedenken, dass die Herausforderungen in den Netzen nicht mehr nur rein elektrisch sind. Technische und regulatorische Veränderungen in immer kürzen Zeitabständen setzen die Kollegen in den vielen Abteilungen immer stärker unter Druck. Hier ist es essentiell, dass die Netzbewirtschaftung auf einem soliden digitalen Fundament aufgesetzt wird, um die Prozesse messbar zu machen.“ Nur so liessen sich die Netze zukunftsfähig und effizienter betreiben und Synergieeffekte beispielsweise für Anschlussprozesse von Erzeugern oder Verbrauchern oder die Netzplanung erschließen. Auch Martin Breitenbach sieht zahlreiche Herausforderungen, auf die die Netzbetreiber unter Umständen zeitnah und umfassend reagieren müssen – beispielsweise beim Ausbau der Erneuerbaren, bei der Elektromobilität oder der Anreizregulierung. Daher ist er überzeugt: „Wir müssen einer Revolution durch eine Evolution zuvorkommen.“

Systemlösung GridCal

Vor diesem Hintergrund war es das erklärte Ziel der Entwickler, heutige Standardtechnologien geschickt zu kombinieren und durch eine flexible Software Synergien zu heben, um auf zukünftige Herausforderungen vorbereitet zu sein. „Wir unterliegen einem immer schnelleren Wandel. Systeme nur nach den aktuellen Bedürfnissen zu dimensionieren, erhöht das Risiko, zu früh erneut investieren zu müssen“, beschreibt der Digitalisierungsexperte der NGN die Strategie. „Mit GridCal von PSInsight tauscht die NGN Abschätzungen gegen echtes Wissen.“ Dabei setzt man bewusst auf Messtechnik in den Ortsnetzstationen und nicht auf Systeme, die auf rein theoretischen Modellen basieren.

Ortsnetzstation Informationen GridCal
Alle relevanten Informationen der Stationen werden mit GridCal erfasst und sind Vor-Ort oder aus der Zentrale abrufbar. Foto: PSInsight GmbH

Dezentrale Intelligenz Plug-&-Play-Systemlösung

GridCal ist eine Plug-&-Play-Systemlösung, die aus modularen Hard- und Softwarekomponenten besteht. Im Unterschied zu vielen anderen Technologien will GridCal eine konsequent dezentrale Digitalisierung der Verteilnetze inklusive der Ausrüstung von Ortsnetzstationen ermöglichen. „Im Prinzip“, erläutert Martin Breitenbach, „erhält jede Station ein eigenes Gehirn, das selbstständig Daten verarbeitet und relevante Informationen bei Bedarf dem Netzmeister vor Ort oder der Leitstelle und den Kollegen im Büro mitteilt.“

Konkret handelt es sich bei diesem „Gehirn“ um einen leistungsfähigen Kleincomputer, gebaut aus Standardkomponenten aus der Industrieautomatisierung. Der GridCal Node (GCN) in der Station umfasst als Hardware-Komponenten unter anderem Fernwirkcontroller auf Linux-Basis, Powerquality-Messgeräte und LTE- oder alternative Kommunikationseinheiten. Weiterhin ist ein digitaler Schleppzeiger für Transformatoren und Abgänge integriert. „Wir verzichten hier ganz bewusst auf proprietäre Hardware, die völlig unnötige Abhängigkeiten schafft“, betont Philipp Huppertz.

Die von der Messtechnik hochauflösend erfassten Ströme und Spannungen werden direkt in der ONS erfasst, ausgewertet und archiviert. Hinzu kommt die fortlaufende Datenaufbereitung und -visualisierung über ein lokales Display oder Verteilnetzen über einen Webserver. Auch die Überwachung des NS-Netzes erfolgt dezentral noch in der ONS auf Basis von Netzsimulationsrechnungen. Die Algorithmen wurden von Prof. Roland Zeise entwickelt, einem der führenden Experten und Pionier in diesem Feld und Mitgründer der PSInsight.

Datenkommunikation Mobilfunk GridCal
Die Datenkommunikation von GridCal erfolgt auch über hochsichere Mobilfunkverbindungen und ist über mehrere Ebenen hinweg verschlüsselt. Foto: PSInsight GmbH

Steuerung aus der Ortsnetzstation

Dezentrale Erzeugungsanlagen und Ladesäulen lassen sich aufgrund dieser lokalen Algorithmen direkt durch die GCN dezentral steuern, auch wenn einmal die Funkverbindung zum Verteilnetzbetreiber unterbrochen wird. „Aus unserer Sicht ist es nicht zielführend, die Digitalisierung der Verteilnetze darauf aufzubauen, alle Informationen ungefiltert an einen zentralen Datenspeicher zu senden. Dezentrale Aufgaben werden dezentral gelöst – ortsnetzübergreifende Aufgaben entsprechend in der Zentrale“, erläutert Philipp Huppertz den Entwicklungsansatz.

Dementsprechend stehen die Daten dem Netzbetreiber bereits nach der Umrüstung der ersten Station zur Verfügung. „Das alles ohne die Nutzung einer fremden Cloud und mit minimalen Anforderungen an die eigene Unternehmens-IT“, betont Martin Breitenbach. „Der Verteilnetzbetreiber bleibt von Beginn an Herr über seine Daten.“ Dieses Konzept überzeugt ihn nicht nur mit Blick auf die Datensicherheit und Datensparsamkeit, sondern auch unter wirtschaftlichen Aspekten: „Ich sehe eigentlich nicht ein, warum ich ich monatlich Geld an einen Externen bezahlen soll, um meine eigenen Daten zu sehen!“

Schneller Einbau in der Ortsnetzstation

Die Ausrüstung der ONS geht nach seiner Erfahrung aus dem derzeitigen Rollout am Niederrhein sehr schnell vonstatten – im Durchschnitt können zwei bis vier Stationen am Tag umgerüstet werden. Wie Breitenbach berichtet, ist eine Vorab-Besichtigung der Station nicht notwendig, da der Monteur alle erforderlichen Bausteine im Montagefahrzeug hat. Durch die Verwendung eines Tablets wird nicht nur die Ausrüstung dokumentiert, sondern ganz nebenbei auch ein digitaler Zwilling der Station erstellt. „Die Inbetriebnahme-Software ermöglicht, dass die Angaben von einem Elektriker direkt vor Ort eingetragen werden können. Den Rest macht die Software automatisch“, führt er aus.

PSInsight bietet Bausteine für die verschiedensten Stationstypen, selbst bei ganz kleinen ONS kann auf den Einsatz von Kabelverteilerkästen verzichtet werden, wie Philipp Huppertz ausführt. Mindestvoraussetzung ist ein freier Einbauplatz für eine Niederspannungssicherungs-Lastschaltleiste.

Aufgrund der zu erwartenden Nachfrage nach GridCal-ready-Stationen hat PSInsight Kooperationen mit den einschlägigen Herstellern für Stationstechnik in die Tat umgesetzt. Intelligente Netz- und Übergabestationen können dann bereits werksseitig nach den Anforderungen des Netzbetreibers ausgerüstet werden.

Von der Zelle zum System

Mittels dieser intelligenten Vorgehensweise bilden alle digitalisierten Ortsnetze jeweils eine eigene Zelle. Daten werden dort verarbeitet, wo sie anfallen und stehen auf Wunsch bereit. Steigt dann die Zahl der dezentralen Zellen, sichert GridCal mit einem zentralen Managementsystem den wirtschaftlichen Betrieb. GridCal ist also der digitale, mitwachsende „Maßanzug für das Verteilnetz“.

Das Gegenstück zu GridCal Node stellt der zentrale Server GridCal Operator (GCO) im Unternehmen dar. Damit werden zen­tral im Büro Ortsnetze und die Hardwarekomponenten verwaltet und vielfältige Mehrwerte generiert. „Damit können die Fachleute für Planung und Netzbetrieb zentrale Aufgaben lösen sowie komplexe Netzberechnungen, Simulationen und Optimierungen auf Basis realer Messwerte durchführen“, erläutert Martin Breitenbach und demonstriert an einer fiktiven Anfrage für eine kleine gewerbliche Ladeinfrastruktur, wie schnell sich im Einsatz von GridCal eine praktikable und netzverträgliche Lösung für den Kunden finden lässt.

Der Praktiker vom Niederrhein ist von der Lösung uneingeschränkt überzeugt. Sein Fazit: „Netzbetreiber können mit diesem System die Digitalisierung in die eigene Hand nehmen, bleiben unabhängig von externen Cloudsystemen und behalten so auch die mit der Digitalisierung einhergehenden Wertschöpfungen im Haus.“ Darüber hinaus können zukünftige Anforderungen wie beispielsweise Redispatch 2.0 und dessen Ausbaustufen in den Verteilnetzen flexibel adressiert werden. (pq)

PSinsight GmbH
Dr. Philipp Huppertz
philipp.huppertz@psinsight.de
www.gridcal.com

Netzgesellschaft Niederrhein
Martin Breitenbach
martin.breitenbach@ngn-mbh.de
www.ngn-mbh.de

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