Dienstag, 23. Mai 2017
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Auf dem Weg zum Smart Grid: Steuern über das intelligente Messsystem

Peter Zayer

Ein politisches Ziel der Energiewende ist es, den Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung bis 2050 auf 80 % zu erhöhen und dabei stets einen sicheren und effizienten Netzbetrieb zu gewährleisten. Ein wichtiger Baustein hierfür sind die intelligenten Messsysteme (iMSys), die als sichere Kommunikationsplattform zur Anbindung fernsteuerbarer Anlagen dienen sollen. Diese Steuerungsfunktion ermöglicht es den Marktteilnehmern, auf Markt- oder Netzsituationen flexibel reagieren zu können. Mit den iMSys wird eine neue, sichere Kommunikationsinfrastruktur für das Stromversorgungssystem geschaffen. Wesentlich für die Funktionsweise der iMSys sind die Mindestanforderungen an Datenschutz und Datensicherheit, insbesondere die Schutzprofile und die Technischen Richtlinien (TR) des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI).

Aus der Begründung des Gesetzes zur Digitalisierung der Energiewende geht eindeutig hervor, dass die Einführung der sicheren Infrastruktur der iMSys für das Erreichen sowohl der energiepolitischen als auch der Energieeffizienzziele unumgänglich ist. Weiterhin legt das Messstellenbetriebsgesetz (MsbG) fest, dass die iMSys auch für das Steuern verwendet werden sollen. Dementsprechend berücksichtigt der Gesetzgeber möglichst viele energiewirtschaftlich notwendige Anwendungsfälle, insbesondere das sichere Last- und Einspeisemanagement. Folglich sind bspw. Kleinerzeugungsanlagen, Elektromobile, Wärmepumpen und Speicherheizungen an das iMSys anzubinden.

Ein weiteres Ziel des Gesetzgebers ist eine zusätzliche Marktintegration erneuerbarer Energien. Beispielhaft sei hier das Zusammenspiel zwischen Anschlussnetzbetreiber und Direktvermarkter genannt. Durch den Einsatz der iMSys soll eine einheitliche Infrastruktur geschaffen werden, damit die Marktpartner jederzeit die aktuelle Erzeugung der Anlagen ablesen und gleichzeitig auf diese zugreifen können. Die Erzeugung soll so gesteuert werden, dass sie sowohl den Anforderungen an die Systemsicherheit als auch den Anforderungen der effizienten Stromvermarktung entspricht. Auch für das netzdienliche Lastmanagement sollen künftig iMsys für die zuverlässige Steuerungstechnik eingesetzt werden.

Systemarchitektur

Die funktionale Systemarchitektur sieht eine konsequente Trennung der verschiedenen Aufgaben und Netze vor. Eine zentrale Komponente der iMSys ist das Smart-Meter-Gateway (SMGW), das die Messeinrichtungen über das lokale metrologische Netz (LMN) spartenübergreifend einbindet. Die sichere Integration einer Steuerungsfunktion erfolgt über eine logisch und physisch zugeordnete CLS (Controllable Local System)-Schnittstelle am Smart-Meter-Gateway zur Einbindung in das Home Area Network (HAN). Innerhalb des HAN werden die Komponenten des Endverbrauchers sicher in die neue Infrastruktur eingebunden – und künftig auch steuerbare Erzeugersysteme sowie schaltbare Lasten und Speichersysteme. Die Verbindung zum Gateway-Administrator und den externen Marktteilnehmern erfolgt über das Weitverkehrsnetz (WAN).

Zentrale Bedeutung des sicheren Steuerns

Durch das MsbG und die Festlegungen des BSI sind die Rahmenbedingungen für den Einsatz des iMSys in Bezug auf Datenschutz und Datensicherheit definiert. Es ist zu erwarten, dass es hinsichtlich der diversen energiewirtschaftlichen Anwendungsfälle im Rahmen der Weiterentwicklung der TR noch Ergänzungen im Bereich der Mindestanforderungen für das Thema Steuern geben wird. Diese fehlen allerdings zurzeit.

Inhaltlich sind sich inzwischen alle Marktteilnehmer einig, dass die Funktionalität des „sicheren“ Steuerns für ein dezentrales Energiesystem von entscheidender Bedeutung ist. Neben der Verwendung von standardisierten Schnittstellen und Protokollen bedarf es eines automatisierten Datenaustauschs zwischen den Netzbetreibern und den beteiligten Marktteilnehmern. Es handelt sich um weit mehr als den Ersatz der heutigen Steuerungssysteme (u. a. Tonfrequenz- und Funk-Rundsteuerung, Fernwirkeinrichtungen), die in der Regel in der alleinigen Hoheit des Netzbetreibers betrieben werden.

Bei der Umsetzung des dezentralen Energiesystems geht es vielmehr darum, ein neues Steuerungssystem zu etablieren, das sowohl die Interessen der Netzbetreiber als Verantwortliche für die Netzstabilität als auch die Interessen der Marktpartner und Kunden berücksichtigt. Unabhängig davon, ob es bspw. Lieferanten, Direktvermarkter, Anlagenbetreiber oder Aggregatoren sind gilt es, deren Geschäftsmodelle im Rahmen der dezentralen Energiesysteme umzusetzen.

Eine aktuelle Bestandsaufnahme im Bereich der EEG-Anlagen in der Direktvermarktung zeigt die Problematik. Bspw. haben Energieanlagen, die in der Direktvermarktung betrieben werden, teilweise mehrere parallele Fernwirksysteme und mehrere standardisierte Schnittstellen für die diversen Marktpartner oder Anwendungen. Das gleiche Bild zeigt sich im Bereich der virtuellen Kraftwerke. Hier versucht das Industrieforum VHP-ready e. V. derzeit durch die Erarbeitung des Standards „VHP-ready 4.0“ einen Industriestandard für diesen Anwendungsbereich zu etablieren.

Zusammenfassend kann man feststellen, dass sich heute für die verschiedenen Anwendungen wie Einspeise-/Lastmanagement, Direktvermarktung, Regelenergiemarkt, virtuelle Kraftwerke, Fernsteuerung und Wartung unterschiedliche Technologien zum Steuern etabliert haben. Ziel muss es sein, insbesondere bei den Standardlösungen im neuen Strommarkt das iMSys als zukünftige Lösung für die Messung und Steuerung effizient und koordiniert einzusetzen.

Netzbetriebliche Anforderungen an die Steuerung von Kundenanlagen

Da für eine sichere Energieversorgung die Netzbetreiber verantwortlich sind, müssen insbesondere die netzbetrieblichen Anforderungen der Steuerungsaufgaben berücksichtigt werden. Oberstes Ziel ist es, Überlastungen des Netzes oder gar Versorgungsausfälle mit Hilfe von Marktmechanismen zu vermeiden. In einem VDE|FNN-Hinweis werden dazu die Grundfunktionen und die Anforderungen an die Steuerungsapplikationen beschrieben.

Bei der Neugestaltung der Kommunikationsinfrastruktur des Marktes ist die Systemrelevanz der Einzelanlagen zu beachten. Systemrelevante Anlagen sind bereits heute direkt über größtenteils netzbetreibereigene, sichere Kommunikationskanäle angebunden. Eine Anbindung dieser Anlagen über das öffentliche Kommunikationsnetz ist zu vermeiden und steht auch nicht im Fokus des Anwendungsbereiches der iMSys.

Anlagen ohne individuelle Systemrelevanz, die zukünftig über das iMSys angebunden werden, sind allerdings hinsichtlich ihrer Wirkung durch Summenleistungen im Rahmen von Gruppenbildungen durchaus systemrelevant und müssen entsprechend berücksichtigt werden. Grundsätzlich sind die netzbetrieblichen Anwendungsfälle zu unterscheiden in netzkritische und netzdienliche Funktionen.

Netzkritische Funktionen

Netzkritische Funktionen haben auf der Grundlage der Systemverantwortung der Netzbetreiber das primäre Ziel, die Versorgung der Netzkunden mit elektrischer Energie auch bei kritischen Netzzuständen aufrecht zu erhalten. Daher haben die Vorgaben des Netzbetreibers in diesem Fall immer unbedingten Vorrang. Diese Funktionen sind im technischen Regelwerk beschrieben.

Netzdienliche Funktionen

Unter Netzdienlichkeit wird die Unterstützung des Netzbetreibers durch den entsprechenden Anlagenbetrieb verstanden. Erzeugung und Verbrauch sollen dabei optimal in Einklang gebracht werden, wodurch Netzverluste und Leistungsspitzen reduziert und Engpässe vermieden werden. Netzdienliche Anwendungen sind bereits heute häufig im Netz vorhanden, wie z. B. die Verlagerung des Verbrauchs in lastschwache Zeiten (Speicherheizungen, Wärmepumpen) oder die Vermeidung von Lastspitzen durch Laststeuerung. Die Koordination dieser netzdienlichen Schaltungen liegt dabei in der Regel bei den zuständigen Verteilnetzbetreibern (VNB). Bevorzugtes Steuermedium im Massengeschäft ist die Rundsteuertechnik (Tonfrequenz- oder Funkrundsteuertechnik).

Standardisierung der Steuerungsfunktionalität und der Systemarchitektur

Neben den Mindestanforderungen an Datensicherheit und Datenschutz definiert das MsbG klare Anforderungen an die Art und Weise einer Steuerung, die über den Messstellenbetreiber als Zusatzleistung eingefordert werden kann. Der VDE|FNN als technischer Regelsetzer erarbeitet im Rahmen des Projektes „MessSystem 2020“ ein Lastenheft mit konstruktiven und funktionalen Anforderungen für eine interoperable und austauschbare Steuerbox, die als Hardwarekomponente in Kombination mit dem Smart-Meter-Gateway die gesetzlichen Anforderungen erfüllt.

Die Steuerbox fokussiert sich zunächst auf die Ablösung der heutigen Rundsteuertechnik. Hierzu hat VDE|FNN die Arbeitsfassung in der Version 0.8 des FNN-Hinweises „Mindestanforderungen und Empfehlungen für eine Steuerbox und System-architektur im intelligenten Messsystem“ veröffentlicht (Abb. 1). Darin werden die funktionalen und konstruktiven Merkmale einer Steuerbox als Steuer- und Schaltmodul im iMSys beschrieben. Neben der Anbindung an Bestandsanlagen werden die notwendigen Funktionen zur Umsetzung interoperabler Steuerungssysteme, die zukünftig in neue Anlagen (z. B. Wechselrichter von PV-Anlagen) integriert werden können, dargestellt.

Dem FNN-Hinweis lag ein umfangreicher Anforderungskatalog zugrunde, der von den aktuellen Anwendungsfällen, die für die Steuerbox von Relevanz sind, abgeleitet wurde. Ziel ist hierbei eine möglichst vollständige Ableitung der Aufgaben einer Steuerbox. Berücksichtigt wurden u. a. die Tarifinformationsweitergabe, das Lastmanagement, die Heizungssteuerung, die Steuerung der öffentlichen Beleuchtung und das Einspeisemanagement. Weiterhin werden Architekturmerkmale und Schnittstellen, die zur Integration im Gesamtsystem erforderlich sind, definiert.

Dargestellt werden u. a. sowohl die Koordinierungsfunktion als Backend-System als auch die Mindestanforderungen für ein Protokoll zur Integration der neuen Steuerungsfunktionen. Der FNN-Hinweis stellt die Grundlage für die Entwicklung der ersten Gerätegeneration dar. Eine Weiterentwicklung wird zurzeit verfolgt. Abzuwarten, bis die Anpassungen der TR des BSI vollzogen sind und die Klärung der offenen Fragen erfolgt, scheint im Kontext des bevorstehenden Rollouts der iMsys aus Systemsicht sehr problematisch.

Anwendungsfälle im Fokus

In der Niederspannung sind basierend auf den FNN-Anwendungsfällen folgende Teilaspekte relevant:

Fahrplansteuerung

Die Realisierung einer netzdienlichen Fahrplansteuerung dient in erster Linie dem Ersatz der heutigen Heizungssteuerung (Nachtspeicher, Wärmepumpen, Warmwasser) durch das iMSys und unterliegt u. a. den Anforderungen einer autarken und zuverlässigen Schaltfahrplansteuerung sowie einer zeitsynchronen Tarifierung.

Steuern einer Einzelanlage

Die Steuerung von einzelnen Lasten und Erzeugern in der Niederspannung kann durch den externen Marktteilnehmer (EMT) erfolgen und ist in der Regel als unkritisch zu bewerten.

Steuerung von Anlagengruppen

Die Steuerung von Lasten und Erzeugern in der Niederspannung kann durch Gruppierung der Anlagen zu erhöhten Anforderungen führen. Bei der Umsetzung netzkritischer Anwendungsfälle müssen erweiterte Anforderungen an das Kommunikations- und Steuerungssystem berücksichtigt werden, wie z. B. Priorisierung, Verfügbarkeit, Erreichbarkeit sowie Schutzanforderungen an die kritische Infrastruktur. Mit der Priorisierung auf die Anwendungsfälle zur Ablösung der Rundsteuertechnik fokussiert sich das FNN zunächst auf die größte Menge der Steuerungsanwendungen. Die zukünftige Weiterentwicklung für weitere Anwendungsfälle ist vorgesehen.

Zusammenspiel zwischen Netz und Markt

Nachdem durch den Rollout von iMSys eine neue, sichere Infrastruktur für die Erfassung der Energiedaten und Steuerung der Anlagen geschaffen wird, gilt es jetzt, das Zusammenspiel zwischen Markt und Netz zu regeln. Schaltanwendungen müssen zukünftig zwischen Markt und Netz koordiniert werden. Dies wird nur durch eine Weiterentwicklung des Rechtsrahmens möglich sein, damit ein praktisches und kostengünstiges Umsetzungskonzept etabliert werden kann. Die dabei betroffenen Stückzahlen sind erheblich.

Im Bereich der erneuerbaren Energien sind derzeit ca. 1,5 Mio. PV-Anlagen mit einer Leistung von 22 GW installiert, von denen perspektivisch ein großer Teil steuerbar sein soll – Tendenz steigend. Im Anwendungsfall der Heizungssteuerung sind deutschlandweit ca. 2 Mio. Anlagen mit einer Leistung von ca. 15 GW installiert, die heute überwiegend über die Tonfrequenz- und Funkrundsteuertechnik (allg. Rundsteuertechnik) geschaltet werden.

Hier ist aus Sicht des MsbG die Ablösung durch ein iMSys vorgesehen. Als Einzelanlage nicht netzrelevant, stellen diese Anlagen in Summe jedoch eine netzkritische Masse dar. Die Freigabe von Schaltanwendungen, z. B. Gruppenschaltungen für Nachtspeicherheizungen, erfolgt immer in Abstimmung mit dem Anschlussnetzbetreiber. Diese Abstimmung und Freigabe muss zukünftig zwischen Markt und Netz auf Betriebsebene koordiniert werden. Damit freigegebene Gruppenschaltungen korrekt und effizient ausgeführt werden können, ist ein hinreichend verfügbarer und effizienter Kommunikationsweg für eine Vielzahl von Anlagen gleichzeitig notwendig. Nur durch ein hohes Maß an Standardisierung können die volkwirtschaftlichen Aufwendungen für den Rollout und langfristigen Betrieb von Steuerboxen minimiert werden.

Koordinierungsfunktion auf Betriebsebene

Zur Aufrechterhaltung eines sicheren und zuverlässigen Systembetriebes muss ein geregelter Informationsaustausch zwischen allen Marktakteuren und dem zuständigen VNB (Anschlussnetzbetreiber) sichergestellt werden. Auf der einen Seite ist das erwartete Verbrauchs- und Erzeugungsverhalten von Kundenanlagen, auf der anderen Seite der voraussichtliche Netzzustand (z. B. anhand des BDEW-Ampelmodells) zu kommunizieren. Weiterhin ist eine Kontrollinstanz notwendig, die sicherstellt, dass bei einer entsprechenden Ampelstellung nur berechtigte Marktpartner die Anlagen steuern können. Unter der Koordinierungsfunktion ist ein IT-System zu verstehen, welches die Steuerungsfunktion gemäß externer Anreize unter Berücksichtigung der Versorgungssicherheit realisiert.

Grundfunktion der Koordinierung

Im Zusammenspiel zwischen den EMT und dem SMGW ist funktional der Gateway-Administrator als „Verwalter“ des jeweiligen SMGW zwischengeschaltet. Aufgrund seiner Aufgabenstellung als Teil des Messstellenbetriebes vom iMSys ist er zwar in der Lage, den Verbindungsaufbau zwischen EMT und Steuerbox herzustellen. Er ist allerdings nicht in der Lage und nicht berechtigt, die gesamtheitlichen Anforderungen einer Smart-Grid-Funktion und bspw. die Aspekte eines BDEW-Ampelmodells umzusetzen. Dazu wurde im Rahmen der Erstellung des Hinweises zu den Mindestanforderungen der Steuerbox bei VDE|FNN eine Gesamtarchitektur einschließlich einer Koordinierungsfunktion auf Betriebsebene entwickelt.

Aufgrund der Bedeutung der Koordinierungsfunktion für das Gesamtsystem und insbesondere für den sicheren Netzbetrieb wird derzeit ein eigener VDE|FNN-Hinweis mit dem Titel „Koordinierungsfunktion auf Betriebsebene“ erarbeitet (Abb. 2).

Umsetzung des Schaltprozesses

Der Wunsch, eine Schaltung durchzuführen, kann sich auf eine Einzelanlage beziehen oder – wie häufig im Niederspannungsnetz – auf eine bestimmte Gruppe von Anlagen (bspw. Speicherheizungen oder Wärmepumpen). Diese Schaltungen müssen bei der zentralen Koordinierungsfunktion beantragt werden – entweder mit der Einzel- oder mit der Gruppenadresse. Die Koordinierungsfunktion führt nach Eingang eines Steuerwunsches eine Prüfung durch, mit der neben der Berechtigung des Marktpartners die eventuell vorliegenden Schaltkonflikte durch Fahrplanabgleich und der Netzzustand (Ampelfunktion) geprüft werden. Erst anschließend erfolgen der Verbindungsaufbau und die Schaltausführungsphase.

Es gilt jetzt, die erforderlichen Rahmenbedingungen zu definieren. Basis dazu könnte, wie oben beschrieben, vom Grundsatz her das vom BDEW entwickelte Ampelkonzept darstellen. Wesentlich sind hier zunächst die Mechanismen zur Ermittlung der Ampelphasen mit dem Ziel, die netzkritischen Situationen frühzeitig zu erkennen oder vorhandene Flexibilität zu nutzen. Neben einer konsequenten Auswertung der Netzzustandsdaten sind die Netzsituationen im Voraus (z. B. day-ahead) zu ermitteln.

Weiterhin gilt es, das Rollen- und Rechtekonzept klar zu definieren. Bei der Rollenzuordnung sind zunächst die in der Gesamtarchitektur dargestellten Marktteilnehmer zu berücksichtigen, d. h. Netzbetreiber, Vertriebe, Poolinganbieter, Messstellenbetreiber und Kunden.

Dem VNB als dem Verantwortlichen für die Netzstabilität kommt dabei die größte Bedeutung zu. Der VNB hat aufgrund seiner Aufgabenstellung die höchste Schaltpriorität, die er bspw. in der roten Ampelphase auch konsequent nutzen muss. Weiterhin benötigt er Informationen über die Fahrpläne der anderen Marktteilnehmer, um bereits im Voraus mögliche Gefährdungen der Netzstabilität zu ermitteln und abzuwenden. Um einen möglichst automatisierten und konfliktfreien Betrieb sicherzustellen, sind die Rahmenbedingungen für den Daten- und Informationsaustausch von entscheidender Bedeutung.

Ausblick: Stufenweise Weiterentwicklung der FNN-Steuerbox

Die Umsetzung einer Steuerungsfunktion über das iMSys soll nach einem stufenweisen Leitfaden erfolgen. Dabei sind die Schritte zur Umsetzung einer Steuerung über ein iMSys entsprechend der Tragweite und dem technischen Aufwand abzuleiten:

  • Technologiewechsel von der Rundsteuertechnik zur Steuerung über intelligente Messsysteme in der Niederspannung;
  • Abdeckung der verbleibenden Anwendungsfälle in der Niederspannung;
  • Abdeckung der verbleibenden Anwendungsfälle in der Mittelspannung.

Die FNN-Steuerbox soll dazu in ihrer ersten Ausführung als modulares Gerät in das Konzept des iMSys integriert werden. Über Ausgabekontakte gelingt die Schnittstelle zu Bestandsanlagen sowie einfachen Neuanlagen nach oben genannten Anwendungsfällen. Digitale Schnittstellen stehen optional für eine Kaskadierung oder intelligente Feldbuskommunikation zur Verfügung. Sowohl Direktschaltungen als auch autarke Schaltfahrpläne müssen tarifsynchron abgebildet werden können – Notfahrpläne stellen einen definierten Schaltzustand der Steuerbox sicher.

Für die Weitverkehrskommunikation der FNN-Steuerbox wird durch den Einsatz der Normenreihe IEC 61850 und die Verwendung eines einheitlichen Datenmodells der interoperable Betrieb sichergestellt. Für eine proaktive Umsetzung dieser Ziele muss ein Weiterbetrieb der heute eingesetzten Steuerungstechniken sowie künftig eingesetzten FNN-Steuerboxen über entsprechende Bestandsschutzregelungen definiert werden.

Durch die Einführung der iMSys wird eine neue, sichere Infrastruktur geschaffen, die neben dem Datenschutz insbesondere die Anforderungen an die Datensicherheit berücksichtigt. Standards des BSI schaffen Sicherheit und Vertrauen beim Einsatz der iMSys. Der erfolgreiche Einsatz der iMSys bedingt die intensive Zusammenarbeit von Gesetzgeber, Behörden und Verbänden der Energiewirtschaft, um offene Fragen zu beantworten und das Marktmodell weiterzuentwickeln. Nur durch ein hohes Maß an Standardisierung können die volkwirtschaftlichen Aufwendungen für den Rollout und den langfristigen Betrieb von Steuerboxen minimiert werden.

P. Zayer, Geschäftsführer, VOLTARIS GmbH, Maxdorf, und Vorsitzender des Lenkungskreises Zähl- und Messwesen im VDE (FNN)
info@voltaris.de

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