Leistungsschalter

Andreas Mühlbauer,

Energiedaten in vernetzten Systemen

Kommunikations- und IoT-fähige Schutzgeräte wie der neue offene Leistungsschalter von Siemens liefern über ihre eigentlichen Aufgaben hinaus vielfältige Daten für ein umfassendes Energiemonitoring, für die Zustandsüberwachung und ein vorausschauendes Wartungsmanagement. Besondere Potenziale eröffnen sich durch die Nutzung der Daten in übergeordneten Automatisierungs- und IoT-Systemen.

Kommunikations- und IoT-fähige Schutzgeräte liefern Daten für ein umfassendes Energiemonitoring, für die Zustandsüberwachung und ein vorausschauendes Wartungsmanagement. © Siemens

Allein in den letzten zehn Jahren sind die Strompreise im europäischen Durchschnitt um 19 Prozent gestiegen, in Deutschland sogar um 27 Prozent (Quelle: stromreport.de). Gerade für energieintensive Industriebetriebe, aber auch für die Betreiber von Gebäuden und Infrastrukturen wächst damit der Druck, den Verbrauch zu reduzieren und dadurch Kosten zu senken.

Auch von anderer Seite steigen seit Jahren die Anforderungen an eine Minimierung des Stromverbrauchs: Im Zuge der Energiewende und des globalen Klimaschutzabkommens fordern staatliche Richtlinien immer höhere Effizienzstandards. In Deutschland zum Beispiel verpflichtet das Gesetz über Energiedienstleistungen und andere Energieeffizienzmaßnahmen (EDL-G) Firmen ab einer bestimmten Größe zu Energieaudits im Vier-Jahres-Rhythmus.

Systematisches Energiemanagement

Ein Weg, um dieser herausfordernden Situation zu begegnen, ist ein betriebliches Energiemanagement gemäß der weltweit gültigen Normen ISO 50001 und 50003. Ausgangspunkt für eine erfolgreiche Optimierung des Energieverbrauchs ist ein kontinuierlicher Prozess, der fortlaufend die Energieverbräuche erfasst, verschiedene Effizienzmaßnahmen entwickelt und ein passendes, durchgängiges Konzept umsetzt – von der Management- bis zur Feldebene. Essenziell dabei ist, Energieflüsse so transparent wie möglich zu machen. Denn nur wenn Energiedaten in ausreichender Menge vorhanden sind und an allen relevanten Stellen erfasst werden, lassen sich konkrete Einsparmaßnahmen ableiten.

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Die technische Basis dafür schaffen Energie-Monitoring-Systeme. Ein solches System besteht aus Messgeräten, die Energiedaten erfassen, und einer Analysesoftware, mit der sich diese Daten visualisieren und auswerten lassen. Störungen in technischen Anlagen lassen sich so frühzeitig identifizieren, Ausfälle präventiv vermeiden und der gesamte Gebäudebetrieb energieeffizienter gestalten.

Leistungsschalter: präzise Messgeräte

Die Erfassung der Energiedaten können – neben Messgeräten – auch kommunikationsfähige Schutz- und Schaltgeräte übernehmen. Wie das in der Praxis aussieht, zeigt der neue offene Leistungsschalter 3WA von Siemens. Er verbindet Schutz- und Messfunktionen in einem Gerät. Die elektronische Auslöseeinheit (ETU) ist nicht nur dafür ausgelegt, im normalen Betrieb vielfältige Daten zu Energie, Netzqualität und Schalterzuständen zu erfassen. Sie gewährleistet auch eine hohe Messgenauigkeit gemäß der Messgeräte-Norm IEC 61557-12 über alle Stromstärken.

Die Reihe 3WA erneuert das Portfolio für offene Leistungsschalter von Siemens Smart Infrastructure. © Siemens

Darüber hinaus lassen sich die Anforderungen der IEC 50001 beziehungsweise der PMF-Stufe (Power Metering Function), wie sie die IEC 60364-8-1 zur Einhaltung der ISO 50001 jeweils anwendungsspezifisch definiert, mit dem 3WA leicht erfüllen: So kann der Planer anhand vordefinierter PMF-Typen die jeweils erforderlichen Mess- und Zusatzfunktionen auswählen. Über den Applikationsprozessor lässt sich der PMF-Typ auch später noch anpassen, etwa bei Nutzungsänderungen.

Integration der Messwerte in die Cloud

Die Übermittlung der erfassten Daten vom Leistungsschalter in übergeordnete Systeme erfolgt üblicherweise über Standardprotokolle. Das ist inzwischen bei etwa einem Fünftel der weltweit installierten Leistungsschalter der Fall. Auch der offene Leistungsschalter 3WA ist über das Profinet-IO/Modbus-TCP-Kommunikationsmodul COM190 mit dem Netzwerk verbunden. Dieses unterstützt Profinet für anspruchsvolle industrielle Kommunikation sowie Modbus TCP für Energiemonitoring-Aufgaben. Für den schnellen Datentransfer können auch mehrere Kommunikationsprotokolle gleichzeitig verwendet werden.

Die Neuentwicklung geht noch einen Schritt weiter: Der 3WA bringt Messwerte aus der elektrischen Infrastruktur direkt ins IoT. Alle erfassten Daten zu Energie, Netzqualität und Schalterzuständen lassen sich damit auch in cloudbasierte Energiemanagement- und Mittelspannungssysteme einbinden. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten. Denn die systematische Nutzung von IoT-Plattformen bietet in der Elektro- und Gebäudetechnik charakteristische Vorteile, auch über ein cloudbasiertes Energiemonitoring hinaus. Der Aufwand für eine eigene IT-Infrastruktur für das technische Gebäudemanagement lässt sich wesentlich reduzieren. Zudem lässt sich ein sehr großes Datenvolumen speichern und verarbeiten, das ortsunabhängig für umfangreiche Analysen zur Verfügung steht. Die offene IoT-Plattform MindSphere von Siemens etwa macht es möglich, große Datenmengen von unterschiedlichen Geräten und Anlagen in Gebäuden und Infrastrukturen zu verarbeiten, auszuwerten und miteinander zu vergleichen. Die Potenziale sind enorm. Deutlich geringere Ausfallzeiten und eine nochmals erhöhte Energieeffizienz sind nur zwei Beispiele.

Vor Cyberattacken geschützt

Die Vernetzung mit dem Internet bedeutet für IoT-fähige Komponenten wie den Leistungsschalter 3WA aber auch: Der Leistungsschalter muss dieselben hohen Cybersecurity-Standards erfüllen wie andere vernetzte Systeme, um die Betriebssicherheit eines Unternehmens oder Gebäudes dauerhaft zu gewährleisten. Damit stellt sich die zentrale Frage nach der Erfüllung adäquater Cybersecurity-Standards nicht nur in Form übergeordneter Sicherheitskonzepte, sondern bereits unmittelbar auf Feldebene. Das bedeutet, direkt in den Geräten integrierte Sicherheitsfunktionen werden zum zentralen Baustein für jedes durchgängige Cybersecurity-Konzept.

Verschiedene in den offenen Leistungsschalter integrierte Sicherheitsmerkmale schützen den Schalter deshalb gegen Manipulationsversuche. Beispielsweise verfügt das Profinet-IO/Modbus-TCP-Modul COM190 über einen in die Hardware integrierten Parameter-Schreib- und Fernschaltschutz. Das bedeutet, dass bei aktiviertem Schreibschutz keine Parameter verändert werden können, während bei aktiviertem Fernschaltschutz das Ein- oder Ausschalten über einen der Kommunikationswege unterbunden wird. Beide Funktionen sind außerdem werksseitig immer aktiviert und müssen manuell und somit bewusst am Kommunikationsmodul selbst ausgeschaltet werden. Auch hardwareseitig ist der 3WA gegen unerlaubten Zugriff geschützt, etwa durch zahlreiche Abschließ- und Verriegelungskomponenten.

Martin Moosburger, Vice President of Product Management Low Voltage Products, Siemens Smart Infrastructure, Business Unit Electrical Products

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