Frischer Wind bei der Datenübertragung

DER AUTOR Darek Kominek ist Marketing Manager der MatrikonOPC Deutschland AG in Köln http://matrikonopc.de

Die Energiewende in Deutschland kommt. Bis Ende 2022 soll vollständig auf die Stromerzeugung in deutschen Kernkraftwerken verzichten werden. Als Alternative setzt man verstärkt auf erneuerbare Energien, der Fokus liegt dabei auch auf Windenergie. Laut eines Statusberichts von Deutsche WindGuard waren Ende 2012 in Deutschland 23.030 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 31.307 MW in Betrieb. Vor allem in den nördlichen Bundesländern wurde dabei vergangenes Jahr die größte Leistung zugebaut. Strom muss daher in Zukunft verstärkt transportiert werden, etwa von den Windkraftanlagen an der Nordsee zu den Verbrauchern in Süddeutschland – ein Ausbau der Stromnetze ist deshalb zentrales Thema der Energiewende.

Doch nicht nur der Transport von Strom, auch die sichere und zuverlässige Übertragung von Daten der Windkraftanlagen ist essentiell. Windpark- und Netzbetreiber sind darauf angewiesen, Betriebsdaten übersichtlich bereitzustellen und verfügbar zu halten, um eine konstante Energieversorgung und einen reibungslosen Anlagenbetrieb gewährleisten zu können. Sie benötigen exakte Angaben darüber, wie viel Energie ihre Anlagen erzeugen. Ebenso müssen Wetterdaten und Informationen zu Schaltanlagen gesammelt und ausgewertet werden.

Ein Windpark kann aus Hunderten von Windenergieanlagen bestehen. Große Energieerzeuger betreiben meist eine Vielzahl solcher Windparks, wobei die einzelnen Anlagen häufig von unterschiedlichen Herstellern stammen – auch innerhalb eines Windparks.

Die Anlagen befinden sich naturgemäß in rauer Umgebung, an Land oder im Meer. Hinzu kommt, dass sie weit voneinander und weit vom zentralen Punkt der Datenauswertung entfernt liegen. In puncto Datengewinnung und -sicherung ist nicht nur die große Anlagenvielfalt, sondern in erster Linie die Zahl unterschiedlicher Protokolle zur Übertragung von Daten problematisch. Neben anbieterspezifischen Protokollen werden auch Modbus und das Übertragungsprotokoll IEC61400-25 verwendet. Selbst innerhalb der Produkte eines Anbieters können verschiedene Protokolle zum Einsatz kommen. Zusätzlich kann auch der Informationsgehalt der Daten je nach Protokoll unterschiedlich detailliert ausfallen, was das Auswerten und Sichern der Daten weiter erschwert.

Die zweite Hürde ist die Datenübertragung selbst. Die Daten der diversen Windparks, die sich aus den Informationen der einzelnen Windenergieanlagen zusammensetzen, müssen zur Auswertung an einen zentralen Ort übertragen werden. Dabei ist zu gewährleisten, dass auch bei Ausfall oder Störung der Datenübertragung keine Informationen verloren gehen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen und Prozesse zu optimieren, eignet sich der OPC-Standard als Werkzeug. Die Lösung zur Datenübertragung ermöglicht die Kommunikation zwischen Geräten, Controllern oder Anwendungen, unabhängig von den verschiedenen Treibern der einzelnen Hersteller. Die OPC-Komponenten werden auf Basis des Client/Server-Prinzips zwischen der Datenquelle und dem Datenempfänger angesiedelt. Die Kommunikation zwischen OPC-Client und OPC-Server verläuft dabei bidirektional. Auf diese Art lassen sich die Daten zwischen Client und Server austauschen, ohne dass sie etwas über das Verbindungsprotokoll und die interne Datenorganisation des jeweils anderen wissen müssen.

Von den am stärksten verbreiteten Spezifikationen des klassischen OPC-Standards sind besonders OPC DA zur Übermittlung von Echtzeitdaten und OPC HDA zur Übermittlung von Verlaufsdaten beziehungsweise historischen Daten für eine optimale Verwaltung und effiziente Nutzung von Windenergieanlagen entscheidend.

OPC DA verfügt über eine Schnittstelle zum Echtzeit-Datenaustausch zwischen den einzelnen Datenquellen und den Datenempfängern, also zwischen Windenergieanlagen, Datenarchiven oder Analyseapplikationen. Die OPC-Spezifikation stellt dabei sicher, dass die Schnittstellen unabhängig vom zugrunde liegenden System und Hersteller Echtzeitdaten austauschen. Lösungen von Anbietern wie MatrikonOPC decken dabei die gängigen Turbinenprotokolle wie Modbus oder IEC 61400-25 ab und bieten Treiber für zahlreiche Windturbinenhersteller, darunter Vestas, Mitsubishi und Siemens.

Um die Echtzeitdaten langfristig analysieren zu können ist es wichtig, die Informationen in Prozessdatenarchiven zu speichern. Hier setzt OPC auf Konzepte zur herstellerunabhängigen Speicherung der Daten in sogenannten OPC Historians. Mit Hilfe der OPC-HDA-Spezifikation lassen sich die gespeicherten Daten an jede Analyseapplikation mit entsprechender OPC-Schnittstelle weitergeben.

Gerade bei Offshore-Windenergieanlagen kann es aber auch bei der Übertragung der Echtzeitdaten an die Steuerungszentrale oder das Prozessdatenarchiv zu Verbindungsausfällen kommen. Wenn dies geschieht, gilt es sicherzustellen, dass die Prozessdaten vollständig übertragen werden. Auch hier kann OPC helfen. Dafür ist direkt an der Datenquelle ein Datenpuffer nötig, der bei einer Unterbrechung der Kommunikation die Daten zwischenspeichert und gesammelt in zentrale Datenbestände überführt, sobald die Verbindung wieder hergestellt ist. Diese Aufgabe erfüllen OPC-Hub-and-Spoke-Lösungen, sodass Übergabe und Integrität der Daten gewährleistet bleiben. Zudem lassen sich die Daten bereits am Ursprungsort analysieren und Trends aus ihnen ableiten. Der OPC-Standard HDA gewährleistet die unternehmensweite Interoperabilität.

Eine zusätzliche Maßnahme, den Verlust von Daten zu verhindern, ist die Verwendung von Tunneller-Lösungen. Das Tunneling von OPC-Verbindungen ist ein Ansatz, der das Risiko eines Datenverlustes aufgrund einer schlechten oder kurzzeitig unterbrochenen Netzwerkverbindung minimieren kann. Statt DCOM (Distributed Component Object Model) nutzt die Technologie standardisierte TCP/IP-Kommunikation zur Übertragung von OPC-Meldungen. Die Nutzer können, im Gegensatz zu OPC-DCOM-Verbindungen, Zeitüberschreitungen entsprechend ihrer jeweiligen Infrastrukturanforderungen konfigurieren. Es genügt, Tunneller auf den OPC-Server-Stationen und den OPC-Clients zu installieren und dann dem Tunneller-Client mitzuteilen, wo sich der Tunneller-Server befindet.

Eine Standardisierung des Datenzugriffs mit OPC verbessert die Handhabung sowie die Überwachung unterschiedlicher Anlagen. OPC-Lösungen sammeln detaillierte Echtzeitdaten und ermöglichen es, die Daten zuverlässig zu speichern.