Umspannstationen sind ein kritischer Bestandteil des Stromverteilungsnetzwerks. Als so genannte Smart Grids werden sie auch in den kommenden Jahren immer wichtiger - insbesondere für Industrieanlagen, für große Betriebs- und Geschäftsgebäude oder für den Schienenverkehr.

Durch intelligente elektronische Geräte (IED) sind Umspannstationen steuerungs - und automatisierungsfähig, und Anwender haben die Möglichkeit, das System mittels Fernüberwachungsbefehlen zu steuern. Eine intelligente Umspannstation muss folglich in allen Bereichen über intelligente Primärgeräte verfügen, alle Sekundärgeräte müssen vernetzt und Betrieb sowie Verwaltung müssen automatisiert sein.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden die Standards IEC 61850 für gemeinsame Kommunikationsmodelle und IEEE 1588 für präzise Zeitsynchronisation von und zwischen Geräten und Systemen innerhalb einer Umspannstation genutzt. IEC 61850 schafft Interoperabilität und Integration von Geräten durch die Standardisierung technischer und mechanischer Abläufe und verbessert durch eine einheitliche Kommunikationsstruktur die Zuverlässigkeit.
IEEE 1588 ist ein Zeitsynchronisierungsstandard, der die Ausführung komplexer koordinierter Anwendungen und fortlaufender Ereignisse innerhalb der Umspannstation durch akkurate Zeitstempel bis auf Nanosekunden genau ermöglicht.

In der Zeitsynchronisierung liegende folgende Vorteile:

• Ausfallschutz: durch Früherkennung von Netzproblemen lassen sich Störungen und Echtzeit-Strominseln (Power Islands) aufdecken,
• präzise Fehler- und Ereignisprotokolle ermöglichen Ereignisanalysen bis auf Nanosekundenebene,
• effizienterer Einsatz der Anlagen, da Überlastung verhindert und der Zustand aller Geräte überwacht wird,
• optimale Erfüllung der Nachfrage durch Abrechnung der Nutzungszeit, virtuelle Stromgeneratoren und Störungsmanagement.

Um zukunftsweisende Umspannstationen innerhalb dieser beiden Standards auf allen Ebenen technisch optimal aus- oder nachzurüsten, sind in den Bereichen Netzwerkredundanz, Sekundärsystem-Netzwerk und Embedded-Computing-Systeme zahlreiche Kriterien zu erfüllen.

Zentral betreiben, steuern und überwachen

Der Vorteil, alle Kommunikationsschnittstellen im Netzwerk einer Umspannstation gemäß IEC 61850 nachzurüsten, liegt darin, dass alle Geräte aus einer zentralen Leitstelle heraus betrieben, gesteuert und überwacht werden können, die zu diesem Zweck ein Scada-System einsetzt. Embedded-Computer nehmen in der Umspannstation verschiedene Rollen ein. Sie werden gemäß ihrer Funktion eingesetzt, wobei man grundsätzlich fünf Typen unterscheidet: Protokollkonverter, Schutz- und Verwaltungscomputer, Front-End-Kommunikationscomputer, Fernwirk-Kommunikationscomputer und Back-End Host-Computer.

• auf Stationsebene: Systemsteuerung, Analyse von Stördaten, Ereignisaufzeichnung, Systemdiagnose, Alarme,
• auf Feldebene: Systemsteuerung, Leitungsschutz/ Transformatorschutz, Stromschienenschutz, Schalterfehlerschutz, Messdaten- und Zählerwerterfassung, Ereignis- und Fehleraufzeichnung, Alarme,
• auf Prozessebene: Kommunikation zwischen Schutzeinheiten und Kommunikation zwischen IED, die Abtastwerte und binäre Statussignale an den Prozess übertragen.

Wichtig beim Einsatz der Computer ist deren Schutz gegen elektromagnetische Störung, die Möglichkeit zur präzisen Zeitsynchronisierung mittels IEEE 1588 Slave Clock sowie die Echtzeit-Steuerung. Mitgelieferte APIs (Application Programming Interface) für die Steuerung und Überwachung der Computer erleichtern Programmierern das Leben.
Industriecomputer, die beispielsweise in Umspannstationen eingesetzt werden, müssen neben leistungsfähigen Prozessoren über zahlreiche Netzwerk- und E/A-Schnittstellen verfügen, damit sie alle Aufgaben innerhalb des Scada-Systems, wie Datenverarbeitung und -erfassung sowie Überwachung mittels grafischer Darstellung, erfüllen können.

Embedded-Computer übernimmt verschiedene Aufgaben

Als Scada-Kommunikationsserver werden Embedded-Computer in der Feldebene eingesetzt, wo sie sicherstellen, dass die Kommunikation zwischen den verschiedenen Ebenen der Station reibungslos funktioniert. Ein solcher Computer muss zahlreiche Kommunikationsschnittstellen vorweisen, um die verschiedenen Geräte, einschließlich IEDs (Intelligent Electronic Devices), Zähler und USV-Einheiten anbinden zu können. Diese Geräte erfüllen Aufgaben wie die Datenerfassung, Datenauswertung, Protokollkonvertierung, Fehlerdokumentation, Konfiguration von Schutzparametern, Ereignisalarme und Erstellung von Ereignislisten. Embedded-Computer als Front-End-Controller übernehmen die Datenverarbeitung und -erfassung sowie die Überwachung mittels grafischer Darstellung. Sie müssen zuverlässig arbeiten, damit die Arbeitsbelastung im Front-End-Bereich gering gehalten wird.
Embedded-Computer als Scada-Controller sitzen in der Stationsebene und steuern das Scada-System. Sie erfassen die Daten anderer Protokollkonversions-Computer zur Weiterleitung an die Leitstelle. Daher benötigen sie deutlich mehr Leistungsfähigkeit in der Datenverarbeitung. Zudem unterstützen sie je nach Anwendung auch HMI für die Visualisierung der Daten.
Moxas DA-685-Computer übernehmen praktisch jede Rolle, die ihnen innerhalb eines Smart Grid zugeteilt wird, unabhängig von den Umgebungsbedingungen oder den technischen Anforderungen. Mit ihrem Intel-Atom-D510-Prozessor bieten sie ausreichend Computing-Leistung in lüfterlosem Design und mit einer großen Auswahl und Anzahl von E/A-Schnittstellen sowie IEEE1588 PTP und EMV-Schutz Level 4.