Hohe Leistung effizient über weite Strecken übertragen
Interview mit Dr. Fabian Assion
Energieerzeuger und -verteiler stehen vor großen Herausforderungen: Die Integration erneuerbarer Energien erfordert flexible Lösungen für schwankende Einspeisungen. Gleichzeitig wächst der Bedarf an einem umfassenden Netzausbau und der Modernisierung bestehender Infrastruktur – hin vom herkömmlichen Verteilnetz zum Smart Grid. Zentral für effiziente Energieübertragung ist der verstärkte Einsatz von Automatisierungs- und Messtechnik. Sowohl für die transparente Erfassung aller Energieflüsse als auch für die Steuerung von Energiesystemen bieten wir innovative Lösungen.
Ihr Vorsprung in der Energietechnik mit Beckhoff:
- lückenlose Energiemesskette vom Sensor bis in die Cloud
- einfach zu installierende steckbare Leistungssensorik
- umfassende Software-Bausteine für Leistungsmessung und -regelung
- jahrzehntelange Erfahrung bei den erneuerbaren Energien und deren Einspeisung:
- Steuerung von mehr als 130.000 Windenergieanlagen
- PC-basierte Umrichter-Technologie
- Simulation von Netzen
Auf einen Blick: Energieversorgung der Zukunft
Zukunftssichere Automatisierung für erneuerbare Energien
Erneuerbare Energien sind essenziell für die Energiewende. Aufgrund ihrer Abhängigkeit von äußeren Faktoren wie Sonne und Wind erfordern sie flexible Steuerungstechnik und effiziente Speicherlösungen. Beckhoff verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Automatisierung von erneuerbaren Energien: Mehr als 130.000 Windenergieanlagen wurden bereits mit unserer Steuerungstechnik automatisiert. Unsere Lösungen decken alle Funktionen ab, von der Betriebsführung über die Pitchregelung und das Azimut-System bis hin zur Schwingungsüberwachung und Parkvernetzung. Spezifische Software-Frameworks werden nicht nur für die Windenergie, sondern auch zur Steuerung von Gezeitenkraftwerken eingesetzt. Darüber hinaus findet sich Beckhoff Technik in verschiedenen Applikationen wie Solaranlagen, Wasserkraftwerken, Geothermie-Anlagen, Biogasanlagen, der Wasserstoffindustrie und Elektromobilität.
Eine flexible Basis für zukunftsfähige Automatisierung bietet die Integration aller Funktionen wie Steuerung und Regelung, Condition Monitoring, Visualisierung, Cloud-Anbindung, Explosionsschutz, Sicherheits- und Messtechnik auf einer Plattform. Dank offener Schnittstellen und der Unterstützung der IEC 61850 können auch konventionelle und erneuerbare Energiequellen in eine gemeinsame Automatisierungsplattform eingebunden werden.
Warum brauchen wir das Smart Grid?
Bis vor einigen Jahren floss Energie in Stromnetzen nur in eine Richtung: von der Erzeugung im Höchst- und Hochspannungsbereich hin zum Verbrauch im Mittel- und Niederspannungsbereich. Heute hat sich dies durch den erhöhten Anteil an erneuerbaren Energien geändert: Energieflüsse sind bidirektional, die Erzeugung erfolgt dezentral und die Versorgung ist ungleichmäßig, was zu Überlastungen und Instabilitäten führen kann. Während herkömmliche Kraftwerke mit Synchrongeneratoren arbeiten, nutzen erneuerbare Energien wechselrichtergesteuerte Systeme, was die Regelung in traditionellen Netzen dynamischer macht. Smart Grids sind die Lösung: Sie ermöglichen durch umfangreiche Informationen zum Netzzustand eine bessere Regelung des Stromnetzes und sind somit ein wesentlicher Baustein für eine stabile und nachhaltige Energieversorgung der Zukunft.
Beckhoff bietet passende Automatisierungstechnik für intelligente Verteilnetze: EtherCAT ermöglicht eine präzise Kommunikation mit I/O-Modulen, die für die Spannungs- und Strommessung in Trafo- und Ortsnetzstationen erforderlich sind. Offene Schnittstellen erleichtern die Anbindung an bestehende Netzleitsysteme. Smart-Grid-Funktionen können direkt in die Steuerung integriert werden, wodurch eine dynamische Anpassung an wechselnde Lastbedingungen möglich wird.
Effiziente Energieübertragung
Energie muss in Verteilnetzen möglichst effizient und verlustarm übertragen werden. Beckhoff Technologie kommt dabei sowohl in konventionellen Wechselstromübertragungssystemen (AC) als auch in Technologien wie Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HVDC) und flexiblen Wechselstrom-Übertragungssystemen (FACTS), die zur Stabilisierung und Optimierung der Netzleistung beitragen, zum Einsatz. Die hohe Performance der Beckhoff Steuerungsplattform ermöglicht eine präzise Regelung von Umrichterstationen und Leistungselektronik. Mit EtherCAT können Millionen von Messwerten aus I/O-Modulen in Echtzeit verarbeitet werden, um Leitungsüberwachung und Schutzmechanismen zu optimieren.
Die Skalierbarkeit der Beckhoff Systeme erlaubt eine flexible Anpassung an unterschiedliche Übertragungsanforderungen, von einzelnen Leitungen bis hin zu verteilten Netzen. Die Möglichkeit, Daten sicher in die Cloud zu übertragen, unterstützt bei der Echtzeitanalyse und der Entwicklung präventiver Wartungskonzepte. Dank der umfangreichen Softwarelösungen können auch komplexe Anwendungen wie modulare Multilevel-Umrichter (MMC) effizient gesteuert und überwacht werden.
Energiespeicher sichern Netzstabilität
Energiespeichersysteme (ESS) speichern Energie aus dem Netz oder erneuerbaren Energiequellen und geben sie bei Bedarf wieder frei. So lassen sich Energieproduktion und -verbrauch zeitlich entkoppeln. Die Integration von Energiespeichern ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen wie Netzstabilisierung, Frequenz- und Spannungsregelung, Nachfragereaktionen sowie die Integration erneuerbarer Energien. Eine wesentliche Herausforderung dabei ist die erhöhte Volatilität und reduzierte Trägheit im Netz, die eine schnelle Reaktion auf Netzstörungen erfordert. Dank ihrer hohen Reaktionsfähigkeit sind besonders Batteriespeicher für Netzdienstleistungen wie Frequenzregelung und Spannungsstabilisierung geeignet.
Beckhoff bietet eine durchgängige Automatisierungsplattform für Energiespeichersysteme, Power-to-X-Anwendungen und Wasserstoffsysteme. Leistungsfähige PCs ermöglichen eine präzise Steuerung von Lade- und Entladevorgängen sowie die Überwachung des Batteriezustands. Dank offener Schnittstellen können unterschiedliche Speichertechnologien problemlos integriert und mit dem Netz synchronisiert werden. Umfangreiche Softwaretools bieten nicht nur die Möglichkeit, Last- und Speicherkapazitäten zu optimieren, sondern auch historische Daten für Vorhersagemodelle zu nutzen.
Kopplung der Akteure in der All Electric Society mit PC-based Control
Für die erfolgreiche Modernisierung der Energieverteilung muss die Kommunikation zwischen allen Akteuren im Stromnetz gelingen: konventionelle Kraftwerke, Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energie sowie lokale Systeme, die Energie verbrauchen, speichern oder einspeisen können. Effiziente Anlagenvernetzung und bidirektionale Konnektivität sind entscheidend, damit dezentrale Anlagen ins Stromnetz zurückspeisen können.
Hybride Energieanlagen (HPP) kombinieren Energieerzeuger mit Speicherlösungen an einem Standort und werden als eine Einheit betrieben. HPPs haben eine integrierte Steuerung über jede Anlage, die entsprechend spezifischen Anforderungen und Umweltbedingungen optimiert wird. Im Gegensatz dazu steuert ein lokales Energiesystem (LES) die Energieerzeugung und -speicherung in einem definierten geografischen Gebiet, z. B. einem Stadtviertel. Die LES-Steuerung fokussiert sich auf die Balance zwischen lokaler Erzeugung und Nachfrage, oft mit einfacheren Energiemanagementsystemen.
PC-based Control vereinfacht durch ihre hohe Konnektivität die Vernetzung von Energieerzeugungsanlagen mit Leitstellen und Netzbetreibern. Flexible Feldbus-Anbindungen und die Integration von Fernwirk-Protokollen wie IEC 60870-5-10x und IEC 61850 ermöglichen Fernüberwachung und Betriebsoptimierung.
Mit PC-basierten Umrichtern Schaltverluste minimieren
Ein Multilevel-Umrichter (MMC) besteht aus einer Vielzahl von Submodulen (häufig Halbbrücken oder Vollbrücken), die in Serie geschaltet sind, um eine gestufte Ausgangsspannung zu erzeugen. Diese Struktur ermöglicht die Erzeugung nahezu sinusförmiger Spannungen mit minimalen harmonischen Verzerrungen. Das reduziert Schaltverluste und erhöht den Wirkungsgrad. Die vielen Submodule erzeugen nahezu sinusförmige Spannungen und minimieren harmonische Verzerrungen. MMCs reagieren dynamisch auf Netzschwankungen, liefern Wirk- und Blindleistung und sind ideal für erneuerbare Energien, Batteriespeicher und HVDC-Systeme. MMCs erhöhen die Gesamteffizienz durch geringere Verluste, hohe Skalierbarkeit und Fehlertoleranz, da defekte Submodule isoliert werden können.
EtherCAT ermöglicht hochpräzise Steuerung und schnelle Kommunikation in MMCs, was für die Leistungsregelung und Energieumwandlung entscheidend ist. Weitere Vorteile PC- und EtherCAT-basierter Umrichter sind die Minimierung von Oberschwingungen, verbesserte Energiequalität, schnelle Anpassung an Netzschwankungen und hohe Effizienz.
Unsere Technologien für elektrische Energiesysteme
Durchgängige Automatisierung für die Energietechnik
Mit PC-based Control bietet Beckhoff eine durchgängige Automatisierungsplattform, die perfekt auf die Anforderungen von Energieerzeugern und Netzbetreibern abgestimmt ist. Der Fokus liegt auf Offenheit und Skalierbarkeit, Flexibilität beim Steuerungsdesign sowie einem hohen Integrationsgrad.
Als Steuerung dienen Industrie-PCs, auf denen die Automatisierungssoftware TwinCAT zur Ausführung kommt. TwinCAT stellt modulare Software-Bausteine, einschließlich spezieller Software für den Energiebereich, bereit. EtherCAT I/Os ermöglichen eine umfassende Anbindung aller gängigen Signale und Sensoren, auch im Bereich der Energie- und Leistungsmessung. Mit EtherCAT, dem von Beckhoff entwickelten Highspeed-Feldbus, wird eine nahtlose Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud ermöglicht.
Die Highlights von PC-based Control auf einen Blick:
- durchgängige Steuerungsplattform für SPS, Visualisierung, Sicherheits- und Messtechnik
- modulare Erweiterbarkeit
- reduzierte Hardware- und Engineering-Kosten
- Offenheit gegenüber Drittanbietern
Schnell und synchron bei höchsten Abtastraten
Herausragende Performance und einfache Konfiguration kennzeichnen EtherCAT, die Ethernet-basierte Echtzeittechnologie von Beckhoff. Zum einen bietet EtherCAT sehr schnelle Zyklus- und Synchronisierungszeiten und zum anderen eine hohe Bandbreite für datenintensive messtechnische Anwendungen. Mit dieser hohen Performance ermöglicht EtherCAT ein effizientes Energiemanagement von der Windenergieanlage bis zur Ortsnetzstation.
Die EtherCAT-Highlights auf einen Blick:
- extrem schnelle Zykluszeiten für präzise und effiziente Prozesse
- maximale Leistung mit Geschwindigkeiten von 1 GBit/s bzw. 10 GBit/s (EtherCAT G10)
- hohe Messqualität durch Zeitstempel, Distributed Clocks und Oversampling
- Synchronität von < 1 µs
- große Auswahl EtherCAT-kompatibler Sensoren und Aktoren
- flexible Anbindung anderer Feldbussysteme
Modulare Automatisierungssoftware
Die Automatisierungssoftware TwinCAT 3 integriert sämtliche Engineering- und Runtime-Prozesse und bietet eine durchgängige Entwicklungsumgebung zur Realisierung aller Steuerungs- und Messtechnikaufgaben in elektrischen Energiesystemen. Die Programmierung erfolgt in der für die Anwendung am besten geeigneten Programmiermethode: IEC 61131-3, Hochsprachen wie C/C++, MATLAB® und Simulink®. Microsoft Visual Studio als einheitliche Programmier-Workbench unterstützt die Versionsverwaltung und vereinfacht das Arbeiten im Team. Vorgefertigte Softwarebausteine erleichtern das Engineering und verkürzen Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeiten.
Die TwinCAT-Highlights auf einen Blick:
- performante Echtzeitplattform unterstützt Zykluszeiten von 50 µs und schneller
- vorgefertigte Softwarebausteine und Funktionen vereinfachen das Engineering
- spezielle Bibliotheken für die Energie- und Leistungsmessung
- vielfältige Optionen zur Datenspeicherung und -auswertung
Unsere Produkt-Highlights für elektrische Energiesysteme
Die Energiewende meistern mit integrierter Messtechnik
Mit einfach nachzurüstender Leistungssensorik und der EtherCAT-Messtechnikklemme EL3475 bietet Beckhoff eine kostenoptimierte Lösung zur Erfassung der Energieströme in der Energieverteilung. So lösen Anwender analoge Messgeräte durch Klappstrom- und -spannungswandler ab und nutzen von dort aus eine lückenlose Messkette zur Überwachung, Analyse und Optimierung der Prozesse. Die Leistungsmessung an allen Abgängen ermöglicht Transparenz für Verteilnetzbetreiber.
Die Highlights auf einen Blick:
- präzise Messung aller relevanten elektrischen Daten eines Verteilnetzes
- schnelle Installation durch steckbares Anschlusskonzept (RJ45)
- effiziente Inbetriebnahme durch vorkonfektionierte Leitungen für Spannungs- (SVL) und Stromwandler (SCL)
- einfache Implementierung durch elektronische Typenschilder der Wandler zur Vermeidung von Konfigurationsfehlern (vgl. Einstellung des Wandlerverhältnisses)
- Netzzustandsermittlung und Netztransparenz gemäß EnWG §14a
Integrierte Leistungs- und Energiemesstechnik
Energiemanagement im Maschinenumfeld und in der Energiewirtschaft stellt vielfältigste Anforderungen, angefangen von der reinen Netzüberwachung über die Prozesssteuerung bis hin zum Highend-Power-Monitoring. Die Leistungs- und Energiemesstechnik-Klemmen setzen dabei unterschiedliche Schwerpunkte und sind daher für die verschiedensten Einsatzbereiche ausgelegt:
- EL3443 und EL3453: High-Feature-Anwendungen für 3-Phasige Netze, interne Vorverarbeitung von Strom- und Spannungswerten, Bereitstellung von bis zu 600 Werten zur Netzanalyse in der Steuerung
- EL3773 und EL3783: Netzmonitoring mit Oversampling Funktion, simultane Messung von Strom und Spannung auf allen Kanälen mit bis zu 10 kSps
- EL3446, EL3444 und EL3443: Verteilte Leistungsmessung mit beliebig vielen EL3446/EL3444 und einer EL3443 pro Netzwerk. Bei räumlich getrennter Strom-/Spannungsmessung können echte Leistungsdaten ermittelt werden.
Das Portfolio der Leistungsmessung umfasst neben den EtherCAT-Klemmen auch Stromwandler mit einer optimalen Kompatibilität zu den I/Os und eine Softwarebibliothek zum Monitoring mit TwinCAT. Für zusätzliche Sicherheit im Schaltschrank steht passendes Zubehör zur Verfügung. So ergibt sich ein vollständiges Paket, um alle Komponenten aus einer Hand zu beziehen.
Leistungsmessung mit TwinCAT
Mit den TwinCAT Power Functions stehen Module in TwinCAT bereit, mit denen diverse Applikationen im Bereich der Leistungsmessung realisiert werden können. Sie stellen Lösungen für Stromversorgungssysteme in Softwaremodulen für 3-phasige Wechselstromsysteme zur Verfügung. Das Gesamtsystem bietet eine modulare und anpassungsfähige Architektur und ist durch vorgefertigte Treiber sofort einsatzbereit. Eine Programmierung oder Kompilierung ist nicht erforderlich.
TF8330 TwinCAT Power Collector: Stellt Softwarebausteine zur Programmierung von Applikationen für die Leistungsmessung bereit. Die Module bieten für alle Klemmen der Baureihe EL34xx eine standardisierte Schnittstelle. Parameter wie Wandlerverhältnis und Frequenzbereich können automatisch konfiguriert werden. Schnittstellen für moderne Übertragungsprotokolle wie MQTT, HTTP REST und OPC/UA sind implementiert.
TF8350 TwinCAT Power Technologies: Stellt Softwarebausteine zur Programmierung von tiefergehenden Diagnosen in der elektrischen Leistungsmessung auf Basis der EL37x3 zur Verfügung. Des Weiteren steht dieselbe standardisierte Schnittstelle wie in TF8330 zur Verfügung. Dabei werden echtzeitoptimierte Berechnungen der Effektivwerte, Frequenz, Oberschwingungen, Verzerrungen, etc. kontinuierlich im Zyklus von 1 ms geliefert. Fortgeschrittene Methoden zur Frequenzbestimmung und eine sofortige Clarke/Park-Transformationen sind enthalten.
Über TF8350 lässt sich in Kombination mit der EL3783 und der EL6689 eine Phasor Measurement Unit realisieren, die die zeitsynchrone und präzise Phasenmessung in Verteil- und Versorgungsnetzen gemäß IEC 60255-118-1 ermöglicht.
TF8360 TwinCAT Power Control: Stellt Softwarebausteine für die Realisierung eines EZA-Reglers bereit. Dieser wird für alle stromerzeugenden Anlagen benötigt, um den Netzanforderungen gerecht zu werden und entspricht den Normen der einzelnen europäischen Länder, in Deutschland z. B. der VDE-AR-N 4110/4120.
Die entsprechenden Softwaremodule enthalten:
- einen Blindleistungsregler zur Spannungsstabilisierung
- eine Wirkleistungsregelung für Frequenzstabilität
- eine Fault-Ride-Through-Fähigkeit
Energiemonitoring mit TwinCAT Analytics
Für das Energiemonitoring in Verteilnetzen stellt die Produktfamilie TwinCAT Analytics einen vollständigen Workflow bereit: von der Datenakquisition über die Kommunikation und das Historisieren von Daten bis zur Analyse und Visualisierung über webbasierte Dashboards. Sowohl für die Analyse von Livedaten als auch von historischen Daten stehen verschiedene Algorithmen bereit.
Die Highlights auf einen Blick:
- Softwaretool zur lückenlosen Datenaufzeichnung und -analyse
- grafische Darstellung von Analyseergebnissen über Interaktion mit TwinCAT Scope View
- Datenstreaming von der Maschine über MQTT
- einfache Drag-and-Drop-Funktion
- nahtlose Integration von Condition-Monitoring-Funktionen
Konnektivität für das Smart Grid
Mit ihrer hohen Konnektivität vereinfacht die PC-basierte Automatisierung die Vernetzung von Energieerzeugungsanlagen mit Leitstellen, Netzbetreibern und kommunalen Stromversorgern. Fernwirkprotokolle gemäß IEC 60870-5-10x und IEC 61850 lassen sich als Bibliothek der Automatisierungssoftware TwinCAT installieren und ermöglichen die Fernüberwachung und Betriebsoptimierung.
Cloudanbindung und Datenbereitstellung über OPC UA bringen Transparenz ins Energiemonitoring mit sicherem Datenzugriff für verschiedene Benutzergruppen. Auch weitere Protokolle wie MQTT oder Modbus TCP können mit TwinCAT IoT flexibel integriert werden.
Weitere Informationen
Smarte Energienetze
Sorgen Sie für eine intelligente Energieverteilung mit transparentem Monitoring von Verfügbarkeiten und Bedarfen.
Energieerzeugung
Steuern und überwachen Sie Kraftwerke, Windparks, Solaranlagen oder Wasserstoff-Gewinnung effizient mit PC-based Control.
Windenergieanlagen
Mehr als 125.000 Windenergieanlagen bis zu einer Größe von 16 MW wurden weltweit mit Beckhoff Technologie automatisiert.
Wasserstoffindustrie
Innovative Steuerungslösungen für die effiziente und flexible Automatisierung von Wasserstoffanlagen