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Die IEC 61850 und Smart GridsErfahrungen aus dem Europäischen Projekt WEB2Energy

Dr. Bernd Michael Buchholz,

NTB Technoservice bernd.buchholz@vde-mitglied.de

„IEC 61850 – Kernstandard für künftige SmartGridsEW – Expertenforum , Eltville, 15.-16.4.2010

Wie sind die 20 – 20 – 20- Ziele der EU zu realisieren?

100 GW Solare

Leistung im Süden?

Kleinerzeu-ger in

Millionen Haushalten?

150 GW Windleistung in Nord und

West?

IKTIKT

Millionen Batterien in

Elektro-autos?

Markttei--nahme der

Strom-kunden ?

Liberalisierte Märkte Energie, Regelleistung, Zertifikate

20 % Einsparung Emissionen 20 % Erneuerbare Energie

20 % Höhere Energieeffizienz

IKT

2

Erzeuger E, % P, GW E, % P, GW

Wind 11 180 18 300 PV 3 125 14 665

Solar-KW 1,6* 1,8 5,5 ** 4,6 H2O, groß 8,7 108 8,3 112 H2O, klein 1,6 18 1,6 19 Wellen 0,8 10 1,1 16 Biomasse 4,7 30 5,3 190 KWK 18 185 21 235 Summe 49,4 657,8657,8 75,8 15421542

SET-Plan 2020 2030

*) Import aus Nordafrika

UCTE 2009:

610 GW

Stunde

Lastmanagement SpeicherErzeugungsmanagement EEG/KWK

100

25

50

75

P, %

-25

Pumpspeicherleistung

Pumplast Mittlerer Beitrag regenerative und KWK- Erzeugung 50 %

MAXKonventionelle Erzeugung

Last/ Erzeugung 2020

Ohne Management der regenerativen Erzeugung wird es keine stabile Stromversorgung mehr geben!

6 12 18 24

Nachhaltigkeitsziele der EU und Konsequenzen

Signifikante Änderungen kommen auf uns zu….

…die neue industrielle Revolution in Stromnetzen

5 Treiber der Revolution1. Regenerative Energiequellen Großanlagen/ verteilt e

Kleinerzeuger2. Speichertechnologien 3. Liberalisierter Energiemarkt4. Einbindung des Stromkunden in den Markt5. Eindringen von Informations- und

Kommunikationstechniken (IKT) in die Netze der unteren Ebenen bis zum Stromkunden

3

Herausforderungen begegnen!

www.smartgrids.eu

European Technology Platform

SmartGrids

Strategic Deployment

Document

for Europe’s Electricity

Networks of the Future

Ein gemeinsame europäische VisionApril 2006

Strategisches Umsetzungs-

konzept

Oktober 2008

6 Umsetzungsfälle

Strategische Forschungsagenda

Februar 2007 5 Forschungsgebiete

Smart Grids –Das Zauberwort

Ein Smart Grid ist ein elektrisches Netz, das die Akt ionen aller angeschlossenen Nutzer – Erzeuger, Verbraucher,

Speicher –intelligent koordiniert um Effizienz in der nachhaltigen, ökologischen, wirtschaftlichen und zuverlässigen Stromversorgung zu gewährleisten.

Das bedeutet:

• Flexibilität, um die Einspeisung von Erzeugern aller Größen und T echnologien risikofrei zu beherrschen;

• Diskriminierungsfreier Zugang von Erzeugung und Handel

• Einbindung der Verbraucher bei der Optimierung des Systems

• ökologische Einflüsse der Stromerzeugung zu reduzieren;

• Intelligente Vernetzung zur Koordination/ Aggregation

Ziele: 20 20 –– 20 20 –– 20, Nachhaltigkeit, Qualität, Wirtschaftlichkeit20, Nachhaltigkeit, Qualität, Wirtschaftlichkeit

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Schaffen einer Toolbox erprobter technischer Konzepte, die die Netzintegration aller Arten von

Energiequellen ermöglichen

Kernelement der Vision

Smart terminal Automation Smart

Metering

Markt

Abrechnung

Hausautomatisierg.

TOOLBOXVerteilung

Übertragung

01020304050607080

13.0114.0115.0116.0117.0118.01

%Windleistung Handel

Höhere Über-tragungskapazität

Intelligentes Enpassmanagement

+ -

Smart Aggregation

Kommunikation in der Verteilungsebene Smarte Zählertechnik

5

Smart MeteringSmart AggregationSmart Terminal Automation

~ ~

Verrechnen

Smart Home

+ -VKW

Automatisierung von Fehlererkennung und

Netzaufbau – Reduktion Versorgungsausfall von

ca. 1h auf Sekunden

Teilnahme Strom-kunde am Markt Motivation zur

Lastverschiebung Rationalisierung Zählerprozesse

VKW Virtuelles Kraftwerk-Aggregation von Erzeugern, Speíchern und steuerbaren

Lasten – Teilnahme an Märkten für Energie und

Systemdienstleistungen, Maximaler Anteil Regenerativ

Die Säulen von Smart Distribution

Smart MeteringSmart AggregationSmart Terminal Automation

~ ~

Verrechnen

Smart Home

+ -VKW

Smart Distribution und Kommunikationsbedarf

Kurzschlussanzeigen

Trennerstellung

Schaltbefehl

Zähl-/Messwerte

Diagnoseinformation

Zählerkennung

Zählwerte (1h)

Tarif, Tarifzeit

Tarifvorhersage

Zählwerte (1/4 h)Sollwerte P-KorrekturSollwerte Q- KorrekturErzeugungsprofile (24 h)Status-/ StörungsmeldungBefehle Last, Speicher

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Ohne intelligente Zähler und Durchdringung der Verteilungsebene mit Informations- und

Kommunikationstechnik kein Smart Distribution !

Ohne Smart Distribution keine Europäische Zielerfüllung !

Voraussetzungen für Smart Distribution

�Erweiterung der Kommunikationsnetze über die Verteilungsebenen bis zum Niederspannungskunden sind Voraussetzung für „Smart Meter“ und das Energiemanagement im Rahmen virtueller Kraftwerke.

�Eine neue Generation von Zählertechnik „Smart Meter“ hat für die Markteinbindung des Kunden zu sorgen und Daten für die Teilnehmer an Smart Distribution online zu liefern.

Kommunikation heute und in ZukunftSmart Grids – Kommunikation heute und morgen

Verschiedene ProtokolleMS MittelspannungNS Niederspannung

Übertragungs-netz Leitstelle

110-kV Leitstelle

MS Leitstelle

Einheitliche Datenmodelle

Alle Teilnehmer sprechen die gleiche „Sprache“ „Interoperability“ für den Anschluss neuer GeräteBasis – ist der zukunftsweisende Standard IEC 61850Nutzung vorhandener Infrastruktur in der Verteilungsebene

~

~

heute

~

~

MS

NS

Smart

ÜN

110 kV

VKW Leitstelle

7

IEC 61850 – Warum?

1. Weltweit anerkannt – USA und Europa

2. Generische, objektorientierte Datenmodelle

3. Offenheit für Erweiterung

4. Offenheit für neue Übertragungsmedien

5. Performance (GOOSE), Komfort, Sicherheit

6. IEC sichert Durchgängigkeit in neuen Standards

Unabhängige Untersuchungen:�Projekt „Energie und Kommunikation“ (2005) �ETG- Studie „Smart Distribution 2020“ (2008)�Strategisches Umsetzungskonzept der EU „Deployment case 4“ (2008)�BMWI- Studie (2009)

kommen zum Ergebnis: IEC 61850 ist der bestens geeignete Standard

Durchgängigkeit von der Leitstelle bis zur Steckdose

x xx

x

Übertragungs-netz Leitstelle

110-kV Leitstelle

MS Leitstelle

US 380 kV

US 110 kV

MS

xx

xxx

VKW Leitstelle

IEC 60870-5-101/4 mit Datenmodell IEC 61850:IEC 61850-80-1

IEC 61850-8.1 in allen Umspannstationen (US)

IEC 61850-7-4 SchaltanlagenIEC 61850-7-420 Verteilte ErzeugerIEC 61400-25 WindanlagenIEC 61850-7-x Neue Datenmodelle z.B. Smart Meter, Smart Terminal

8

Offenheit für neue Übertragungsmedien

ISO

/OS

I

1 Physi

2 Verbindung

7 Anwendung

Sta

tion

Ver

teiln

etz

3-6

MMS

Ethernet

Fibreoptics

Dial up

SCM 1

Telecomcable

Distributionline

Polling

TCP

IP

SCM n

MMS - Manufacturing message system , SCM 1 -n – specific co m . mappings

…..

Anwendung

Einheitliche Datenmodelle und Dienste

7 S

chic

hten

mod

ell

ISO

/OS

I

1 Physik

2

7

3-6

MMS SCM1

Ethernet

optisch

Aufruf

SCM 2

Funk/Kabel

Strom-Leitung

Polling

TCP

IP

SCM n

MMS - Manufacturing message system , SCM 1 -n – specific co m . mappings

…..

Konzeptumsetzung in den Projekten:

E-Energy: REGMOD Harz, MeRegio, eTelligence, E-DeMa

EU: WEB2Energy

� Steuerung Trennschalter: CSWI– Stellung: CSWI.Pos.stVal

– Schaltbefehl: CSWI.Pos.ctlVal

� Messwert: MMXU– Phasenspannung: MMXU.PhV

– Strom: MMXU.A

� Kurzschlussstromanzeiger – neu MSCD– Kurzschlussstromanzeige: MSCD.Pos.stVal

� Weiteres z.B. Sicherungsstatus, Diagnostikmeldung

abhängig von Anforderungen

Smart Terminal Automation

KS

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� Messung, Zählung: MMXU, MMTR

– Neu: Zählwerte mit Tarifzuordnung

� Steuerung Verteilte Erzeuger: DRCC

– Sollwert Wirkleistung: DRCC.OutWSet

– Sollwert Blindleistung: DRCC.OutVarSet

� Fahrpläne: DSCH, DSCC

– Ein Fahrplan ist in DSCH abgebildet

– LN DSCC ist zur Steuerung der Fahrpläne genutzt

� Photovoltaik: DPVC

� KWK- Anlage: DCHC

� Batteriespeicher: ZBTC

� Biogasanlage: DBGC

� Wind: Wxxx

Smart Aggregation

+ -VKW

�Klärgasanlage: DDGC

�Gasturbine: DGTC

�Wasserkraft: Hxxx

�Generator: DGEN

�Steuerbare Last: DLDC

~

Smart Metering

Energiezählung in kurzen Intervallen

Fernauslesbarkeit

Empfang Preissignale/ Prognosen

Visualisierung Verbrauch/ Kosten

Gateway Hausautomatisierung

�Zählwerte mit Zeitstempel und Identifikation: MMTR.TotWh

�Dynamischer Tarif: FDTR

- Aktueller Tarif mit Attribut Zeitdauer : FDTR.CVal

- Tarifvorhersagekorrektur mit Zeitdauer: FDTR.FVal

- Tarifvorhersage 24 h: FDTR.FDay

Dynamische marktpreisorientiere Tarife können derzeit nach deutschem Eichrecht nicht umgesetzt werden. Im Projekt WEB2Energy wird ein solcher Tarif für Pilotkunden simuliert.

EEX-Preis

Tarif

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Smart Home und Zähler – Datenkonvertierung

Märkte Energie ÜNB Lieferant VKWVNB

KWK�=�~

Gebäudeautomatisierung/ Energiemanagement

LAN LAN

DatenkonzentratorGateway

Zähler

Gateway

Systemweites WANIEC 61850 datenkonform

Converter

Zähler haben heute ihre eigene Kommunikationswelt, Aktivitäten für spartenübergreifende Standards lauf en

MUC 1 MUC n

Automated metering

……………… .

……………… .

-

Spartenz

Multi - Utility - Controller

Marktrollen

MUC 1 MUC n

Zählerdatenserver

……………… .

……………… .

IEC 61850 Dienste und Datenmodelle

Spartenzähler

Multi - Utility - Controller

Marktteilnehmer

Einbindung der Zähler und Spartenintegration

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CIM Datenbank

CIM Datenbank

Neue Dienstleister für Smart Distribution

Stromkunde

Messstellenbetreiber MUC

IKT

-D

ienstleister

VNB

ÜNB

IKT – Informations-/ Kommunikationstechnik

VNB – Verteilungsnetzbetreiber

ÜNB – Übertragungsnetzbetreiber

Fahrpläne

Spartenkunde Stromerzeuger

Spartennetzbe-treiber/ Händler

Informationsdienstleister, Zählerdatenserver

CIM Datenbank

CIM Datenbank

VKWLieferant

VKW – Virtuelles Kraftwerk

CIM – Common Information model IEC 61968/61970

Energiemarkt

Erforderliche Anpassungen

� Definition neuer Datenmodelle für neue Funktionen�Konvertierung Zählerdaten – IEC 61850�Konvertierung SmartHome – IEC 61850�Eintrag IEC 61850 – Daten in CIM-Datenbanken

Im Projekt WEB2Energy werden:

- Standardkonverter entwickelt.

- neue Übertragungsmedien, Logische Knoten, Attribut e und Datenklassen zur Standardisierung in die releva nten WGs des TC 57 eingebracht.

Projektziel: CDV in 12/2012

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Parallele

Signale

Legende:

Andere

Kommunikation

IEC 61850

Datenmodell

CIM – common information model

FWG – Fernwirkgerät

VNB – Verteilnetzbetreiber

Modellsystemstruktur der IKT in WEB2Energy

FWG

VerbraucherIKT-Kunden Erzeuger, Speicher MS- Stationen

FWGZählerZählerProzess

Zählerdatenserver

IKT Infrastruktur

VNBCIM IEC 61968

Markt/Lieferant VKWAnwender

Datenmanagement

Sicherheit, Leistung : IEC TS 62351 :

WEB Dienste: IEC 61400-25

Kommunikation: IEC 61850

CIM IEC 61968 CIM IEC 61868

Hausaut.

Die Gesellschaft braucht Smart Grids, um die EU- Ziele in Nachhaltigkeit und Marktliberalisierung zu erreichen.

Ohne Smart Grids in Übertragung und Verteilung geht da nichts.

Voraussetzung für Smart Distribution: Kommunikation und Smarte Zähler in Verteilungsnetzen

IEC 61850 ist der geeignete Standard für durchgängige Kommunikation in allen Ebenen.

IEC 61850 wird erstmals in mehreren Förderprojekten im Verteilungsnetz eingesetzt.

Der Kommunikationsbedarf überschreitet die heutige Norm. Erweiterte Definitionen sind in die Standards einzubringen.

Die Kommunikation muss in die gesamte IKT- Landschaft eingebettet werden – Fremdprotokolle und Datenmanagement.

Warum Smart Grids und IEC 61850?

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Aber es gibt noch Barrieren

� Das EEG in der heutigen Form trennt einen wachsenden Anteil der Erzeugung vom Markt und verhindert die Aggregation zu virtuellen Kraftwerken.

� Die heutige Basis der Netzentgelte bietet den Netzbetreibern keine Motivation in Smart Grids zu investieren.

� Das derzeitige Eichrecht behindert die Einführung dynamischer Tarife. Die neuen Regelungen im EnWG zur Einführung neuer Zähler (§21b und §40) sind nicht eindeutig und führen nicht zum Ziel.

Wenn Deutschland seinen Beitrag zu den Europäischen Zielen ernst nimmt, sind neue Regeln zwingend erford erlich.

Jeder ist zum Mitwirken aufgefordert!

Sorgen wir dafür, dass überall Lichter brennen

www.smartgrids.euwww.e-energy.dewww.web2energy.com

Der beste Weg, die Zukunft voraus zu sehen, ist sie zu gestalten

Smart GridsSmart GridsSmart GridsSmart Grids

Mit IEC 61850Mit IEC 61850Mit IEC 61850Mit IEC 61850