Die grundlegende Funktion eines intelligenten Stromnetzes lässt sich mit dem Führen eines Kontos bei einem Kreditinstitut vergleichen: Zuerst wird das Geld gezählt, das entspricht dem Messgerät, dann werden die Finanzen verwaltet, das entspricht der Umspannstation. Der wichtigste Aspekt eines effizienten, smarten Stromnetzes ist das sogenannte Spitzenlastmanagement, wenn also kurzzeitig eine hohe Leistungsnachfrage im Stromnetz auftritt. Damit die Nachfrage bestmöglich bedient werden kann, ist es nötig, das Lastenmanagement präzise zu überwachen. Ein Ausgleich kann mit Energiespeichern geschaffen werden.
Erweiterte Zählerinfrastruktur
Mit Hilfe des Industrial Internet of Things (IIoT), das die technische Welt der Sensoren, Aktoren, Geräte und Maschinen mit dem Web verbindet, lassen sich auch Stromflüsse in Energie-Netzen einfach messen und analysieren. So kann der Verbrauch bis auf die Ebene einzelner Nutzergeräte optimiert werden. Ein essenzieller Bestandteil ist dabei, eine Vielzahl von mechanischen und elektrischen Systemen ans Internet anzubinden – von denen einige schon über ein Jahrhundert in Betrieb sind. Um dieses Vorhaben umzusetzen, sind Cloud-basierte Dienste und Back-End-Systeme in einem Kontrollzentrum für die Analyse erforderlich. Geräte, die im industriellen IoT eingesetzt werden – zum Beispiel Sensor Gateways wie der Embedded Computer UC 8100 von Moxa – haben oftmals lange Lebenszyklen. Sie müssen in der Regel unter extremen Bedingungen und in rauen Umgebungen zuverlässig arbeiten. Auch müssen Systeme wie Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, Leistungssteuerungen sowie industrielle Anlagen aus Sicherheitsgründen vor dem Zugriff durch unbefugte Personen geschützt werden, damit Schäden aufgrund von arglistigen Handlungen vermieden werden.
Ein bedeutender Teil des Smart Grids ist die erweiterte Zählerinfrastruktur, die Advanced Metering Infrastructure (AMI). Das ist eine elektrische Architektur, die Stromnetze mit einer Zwei-Wege-Kommunikation versorgt, über die der Energieverbrauch gemessen, analysiert und optimiert werden kann, sogar bis hin zu den einzelnen Geräten. Über die AMI können Endanwender-Geräte mit lokalen intelligenten Messgeräten in Verbindung stehen, die wiederum mit dem zentralen Energieversorger und den Umspannstationen verbunden sind. So ist eine Koordination und Anpassung des Stromnetzes durch Systeme, die Messdaten verwalten, möglich. AMI spielt eine wichtige Rolle bei den Funktionen von Smart Grids einschließlich der Nachfragereaktion (Demand Response, DR), der automatisierten Verteilung und weiterer Maßnahmen, das Netz zu optimieren. Das industrielle Internet der Dinge macht Messgeräte und das Smart Grid in diesem Zusammenhang noch intelligenter.
Die IIoT AMI-Lösungen für Smart Grids von Moxa sind für Hoch- und Niederspannungs- sowie transparente und nicht-transparente Architekturen geeignet. Sie umfassen verschiedene Funk-Gateways, Datenkonzentratoren und Server-Produkte mit Zwei-Wege-Kommunikation für das Messen, die Analyse und das Optimieren des Energieverbrauchs. Funk-Gateways sind Messgeräteschnittstellen, die eine Schlüsselfunktion in der Hochspannungs-AMI einnehmen. Die Einheiten fungieren als Haupt-Gateway für intelligente Messgeräte, die von Nutzern mit großem Bedarf wie Fabriken, Schulen oder Geschäftsgebäuden eingesetzt werden. Das Gateway muss sowohl das öffentliche Funknetzwerk als auch Funk-Kommunikationstechnologien im Privatbereich unterstützen. Hoch- und Mittelspannungslösungen sind in großen öffentlichen Gebäuden wie Stadien, Messehallen oder Fabriken erforderlich. In diesen Umgebungen werden Datenkonzentratoren an intelligente Zähler, digitale Eingang/Ausgang-Einheiten (E/A) und serielle Geräte angebunden, um elektrische sowie Umgebungsdaten zu erfassen. Sie müssen die Daten kurzfristig speichern und grundlegende Analysen durchführen können, bevor sie die Daten drahtlos oder über Kabel an die Leitstelle senden.
Spitzenlast verwalten
Ein essenzieller Bestandteil der Niederspannungs-AMI-Architektur ist der Datenkonzentrator. Er dient als Hauptzugang für alle Messgeräte, die in ein benachbartes Netzwerk (NAN) eingebunden sind. Die leistungsstarken Vermittler erfassen und konsolidieren Daten von lokalen Messgeräten und führen grundlegende Analysen durch, bevor sie diese an die Leitstelle des Smart Grids weiterleiten. Datenkonzentratoren müssen unter extremen Umgebungsbedingungen im Feld zuverlässig arbeiten können, wo sie Temperaturschwankungen, Staub und Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Zudem müssen sie über serielle, Ethernet- und Powerline-Schnittstellen kommunizieren können, sowie die Funkstandards ZigBee und Wi-Fi unterstützen wie auch die 3G-Funk-Kommunikation. Niederspannungsanwendungen werden in der Stadt und auf dem Land eingesetzt – das umfasst Wohngebiete, städtische Mehrfamilienwohnanlagen oder auch Einfamilienhäuser. NAN-Anwendungen in Wohngebieten können es erfordern, dass mehrere Datenkonzentratoren die Daten erfassen, analysieren und übertragen. Die Installation kann durch unkonventionelle Lokalitäten beeinflusst werden wie Schaltkästen, Treppenhäuser oder Kellerschränke.
Die präzise Kontrolle von Geräten für das Lastmanagement ermöglicht fortschrittliche Programme zur Nachfragereaktion, der sogenannten Demand Response. Sie helfen Energieanbietern, die Zuverlässigkeit des Netzes stabil zu halten und zeigen den Endkunden ihren Verbrauch. Um DR mit einem offenen Standard zu automatisieren, standardisieren und zu vereinfachen, hat sich die US-amerikanische OpenADR Alliance (Open Automated Demand Response) im Jahr 2010 gegründet. Mit deren offenen Kommunikationsdaten-Modell sind Energieanbieter in der Lage, den steigenden Bedarf kosteneffizient zu befriedigen, und Kunden haben die Kontrolle über ihre energetische Zukunft. Im europäischen Raum verfolgen Firmen wie Enernoc oder Comverge vergleichbare Ziele, allerdings mit kostenintensiven proprietären Plattformen. Die Nachfragereaktion misst, wie der Energieverbrauch von Endnutzern sich verändert, wenn sich der Preis über die Zeit hinweg verändert oder wenn bei hohen Großhandelspreisen oder gefährdeter Systemstabilität Erfolgsprämien für einen reduzierten Energieverbrauch eingesetzt werden. Sie gibt also Auskunft über die Abweichungen vom üblichen Energiekonsumverhalten.
AMI-Produkte von Moxa arbeiten mit OpenADR für die Spitzenlastverwaltung. Der Embedded Computer UC-8100 ist eine OpenADR 2.0a/b-konformer virtueller Endknoten und Teil der Save-Plattform des taiwanesischen Institute for Information Industry. Diese ist ein Cloud-basiertes Nachfrage-Steuerungssystem, das Schnittstellen anbietet, die mit Gebäudeautomatisierungs-Geräten und -Systemen kommunizieren können, um Bedarfsmanagement für das Smart Grid und für intelligente Gebäudeanwendungen realisieren zu können. Dank Pin-zu-Pin-kompatibler CPU (Central Processing Unit) sorgt der UC-8100-Computer für Flexibilität. Die einfache Wartung ermöglicht programmierbare LEDs für kundenspezifische Benachrichtigungen.
