Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der fotoelektrischen Sensortechnologie rückt deren praktische Anwendung in der Stationsautomatisierung zunehmend in den Fokus der Forschung. Dieser Beitrag analysiert die Leistungsmerkmale fotoelektrischer Sensoren und beleuchtet deren Auswirkungen auf die Kommunikationssteuerungssysteme von Stationen aus zwei Perspektiven: Kommunikationsmethoden und Systemstruktur. Ausgehend vom aktuellen Stand der Stationsautomatisierung in China konzentriert sich der Beitrag auf die Anwendungsmethoden und -schritte fotoelektrischer Sensoren: die Verwendung von Messsensoren zur Anbindung der fotoelektrischen Sensoren an die Kommunikationsnetze; die Unterteilung der Zugriffsmethoden in drei verschiedene Formen, entsprechend der Entwicklung der Kommunikationstechnologie und den Anwendungsanforderungen von Stationen. Als neuartige elektronische Messwandler werden fotoelektrische Sensoren die Stationsautomatisierung maßgeblich beeinflussen. Schlüsselwörter: Fotoelektrischer Sensor, Stationsautomatisierungssystem, fotoelektrische Schnittstelle, Messsensoreinheit, Netzwerkkommunikation 1 Einleitung Als neuartige Spannungs- und Strommessgeräte bieten fotoelektrische Sensoren im Vergleich zu herkömmlichen elektromagnetischen Messwandlern eine Reihe von Vorteilen. Dazu gehören eine hohe Isolationsfestigkeit, ein großer Dynamikbereich, eine breite Bandbreite, eine hohe Störfestigkeit, keine magnetische Sättigung oder Ferroresonanz, geringe Größe, niedriges Gewicht und geringe Kosten. Seit den 1960er Jahren haben fotoelektrische Sensoren die Phasen der Grundlagenforschung, der Prototypenerprobung und des Feldeinsatzes durchlaufen [1]. Mittlerweile sind einige Produkte auf dem ausländischen Markt erhältlich, die großflächige Anwendung steht jedoch noch aus. Auch der Einsatz von Stationsautomatisierungssystemen in China ist unterschiedlich. Die Frage, wie fotoelektrische Sensoren in Stationsautomatisierungssystemen eingesetzt werden können und wie sich deren Automatisierungsgrad verbessert, ist daher ein Schwerpunkt der Forschung im Bereich fotoelektrischer Sensoren. Stationskommunikationssysteme sind ein wichtiger Bestandteil von Stationsautomatisierungssystemen, und ihr technischer Standard beeinflusst deren Leistungsfähigkeit direkt. Mit der rasanten Entwicklung der Elektronik- und Kommunikationstechnologien haben auch die Kommunikationssysteme von Umspannwerken verschiedene Entwicklungsstufen durchlaufen, darunter zentralisierte, funktional verteilte und dezentral verteilte Systeme [2]. Die Entwicklung und die Veränderungen der Kommunikationssysteme sind stets an die Entwicklung und die Veränderungen der Mess-, Steuerungs- und Schutzeinrichtungen in Umspannwerken angepasst. Der Einsatz von fotoelektrischen Sensoren in Umspannwerken wird die Kommunikations- und Steuerungssysteme von Umspannwerken grundlegend verändern und deren Automatisierungsgrad erhöhen. 2. Leistung und Eigenschaften optischer Wandler Optisch-elektrische Wandler (OETs) lassen sich anhand ihrer Sensorkopf-Konstruktionsprinzipien in zwei Typen unterteilen: aktive OETs (AOETs) und passive OETs (POETs). Erstere nutzen einen neuartigen Sensorkopf am Hochspannungsende, um ein leistungsstarkes elektrisches Signal zu erfassen, das anschließend in ein digitales Signal umgewandelt und mittels fotoelektrischer Wandlung an das Niederspannungsende übertragen wird. Letztere nutzen hauptsächlich den Faraday-magnetooptischen Effekt (Stromsensor) und den Pockels-elektrooptischen Effekt (Spannungssensor) zur Modulation des optischen Signals, ohne dass während des Messvorgangs ein elektrisches Signal benötigt wird. Obwohl sich die Messprinzipien von AOETs und POETs deutlich unterscheiden, weisen sie viele Gemeinsamkeiten in ihren Messeigenschaften und Ausgangsschnittstellen auf, die sich hauptsächlich in folgenden Aspekten zeigen [3, 4, 5]: 1) Breiter Einschwingvorgang und hohe Oberwellenmessfähigkeit. Die Qualität des Einschwingverhaltens ist ein wichtiger Parameter für die Eignung eines Transformators in einem Stromnetz, insbesondere im Hinblick auf die Ansprechzeit des Schutzrelais. Herkömmliche elektromagnetische Transformatoren weisen aufgrund ihres Eisenkerns ein schlechtes Ansprechverhalten auf hochfrequente Signale auf und können den Einschwingvorgang auf der Primärseite nicht präzise abbilden. Der von fotoelektrischen Transformatoren gemessene Frequenzbereich wird hauptsächlich durch die elektronische Schaltung bestimmt, wodurch das Problem der Kernsättigung vermieden und somit die Einschwingvorgänge auf der Primärseite präzise erfasst werden. Er kann üblicherweise im Bereich von 0,1 Hz bis 1 MHz ausgelegt werden, wobei spezielle Ausführungen eine Bandbreite von 200 MHz erreichen. Die Struktur fotoelektrischer Sensoren ermöglicht die Messung von Oberwellen in Hochspannungsleitungen – eine Leistung, die mit elektromagnetischen Induktionstransformatoren nur schwer zu erzielen ist. 2) Digitale Schnittstelle und leistungsstarke Kommunikationsfähigkeit: Da fotoelektrische Sensoren optische Digitalsignale übertragen, lassen sie sich problemlos in Kommunikationsnetze integrieren. Messfehler während der Übertragung sind ausgeschlossen. Dank der zunehmenden Verbreitung mikrocomputerbasierter Schutz- und Steuerungssysteme können fotoelektrische Wandler digitale Werte direkt an Sekundärgeräte liefern. Dadurch entfallen Wandler und A/D-Abtaststufen herkömmlicher Schutzgeräte, was die Sekundärgeräte erheblich vereinfacht und die Forschung an neuen Schutzprinzipien fördert. 3) Kleine Abmessungen, geringes Gewicht und einfache Erweiterbarkeit erfüllen die Anforderungen an Miniaturisierung und Kompaktheit von Umspannwerken. Da fotoelektrische Sensoren Signale über Sensorköpfe und elektronische Schaltungen erfassen und verarbeiten, sind sie klein und wiegen in der Regel weniger als 1000 kg. Dadurch lassen sie sich problemlos in AIS oder GIS integrieren. Dies reduziert den Platzbedarf des Umspannwerks deutlich und erfüllt die Anforderungen an Miniaturisierung und Kompaktheit. Darüber hinaus werden fotoelektrische Wandler über wenige Glasfaserkabel mit den Sekundärgeräten verbunden, wodurch Kabelgräben und Kabel deutlich reduziert werden. Wenn die Steuerungs- und Schutzeinrichtungen innerhalb des Schaltfelds in der Schaltanlage untergebracht werden, wird die Umspannwerksanlage kompakter, was die Sicherheit erhöht und erhebliche wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt. Fotoelektrische Transformatoren bieten zudem Vorteile wie einen einfachen Isolationsaufbau, gute Isolationsleistung, geringe Kosten, keine Ferroresonanzprobleme, keine Unterbrechungen in der Sekundärwicklung des Stromwandlers oder Kurzschlüsse in der Sekundärwicklung des Spannungswandlers sowie keine Brand- oder Explosionsgefahr. Die drei oben genannten Hauptaspekte beeinflussen jedoch direkt die Kommunikationsmethoden und die Systemstruktur des Umspannwerkskommunikationssystems und somit maßgeblich die Entwicklung von Umspannwerksautomatisierungssystemen. 3. Auswirkungen von fotoelektrischen Sensoren auf Umspannwerkskommunikationssysteme. Umspannwerksautomatisierungskommunikationssysteme bestehen aus zwei Teilen: der internen Feldkommunikation und der Kommunikation zwischen dem Automatisierungssystem und der übergeordneten Leitstelle. Hier wird hauptsächlich der Einfluss von fotoelektrischen Sensoren auf die interne Feldkommunikation diskutiert. Die Feldkommunikation dient primär der Datenkommunikation und dem Informationsaustausch zwischen internen Subsystemen und dem Host-Rechner (Überwachungszentrale) sowie zwischen verschiedenen Subsystemen. Ihre Reichweite beschränkt sich auf das Umspannwerk. Bei zentralisierten Schaltschrankautomatisierungssystemen befindet sich diese Reichweite im Hauptleitstand. Bei verteilten Automatisierungssystemen erstreckt sich die Kommunikationsreichweite bis zu den Installationsorten des Hauptleitstands und der Subsysteme, wodurch die Kommunikationsdistanz erhöht wird. Zu den Kommunikationsmethoden gehören unter anderem Parallel-, Serien-, LAN- und Feldbusverbindungen. Wie Abbildung 1 zeigt, ist das verteilte Stationsautomatisierungssystem in China derzeit weit verbreitet. Zu seinen Vorteilen zählt die Nutzung der Feldgruppenorganisation in den Sekundärkomponenten der Station, die eine funktionale Dezentralisierung und Systemoptimierung ermöglicht. Allerdings bestehen auch Probleme wie mangelnde Gesamtkoordination und funktionale Optimierung zwischen den Geräten, die fehlende Möglichkeit zum Austausch von Eingangsinformationen, komplexe Verdrahtung und komplexe Systemerweiterungen. Mit der zunehmenden Verbreitung intelligenter Geräte auf Primärebene, wie z. B. fotoelektrischer Messwandler und intelligenter Schaltanlagen, wird eine technologische Grundlage für die Ressourcen- und Systemintegration geschaffen, um den derzeitigen fragmentierten Zustand der Überwachungs-, Steuerungs-, Schutz- und Messeinrichtungen und -systeme in Stationen zu überwinden. Die Auswirkungen und Verbesserungen von Kommunikationssystemen durch den Einsatz von Lichtschranken zeigen sich hauptsächlich in zwei Aspekten: 1) Aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften – digitale Ausgabe, komfortable Schnittstelle und hohe Kommunikationsfähigkeit – verändert die Anwendung von Lichtschranken die Kommunikationsmethoden in Umspannwerken grundlegend, insbesondere die Kommunikation zwischen Primär- und Sekundärgeräten in der Feldebene. Bisher werden Signale analog in die Feldebene übertragen. Derselbe Strom-/Spannungswandler kann an mehrere verschiedene Geräte angeschlossen sein, was zu Problemen wie komplexer Sekundärverdrahtung und hoher Transformatorlast führt. Durch die Nutzung der digitalen Signale von Lichtschranken lassen sich Punkt-zu-Punkt-, Mehrfach-Punkt-zu-Punkt- oder Prozessbus-Kommunikationsmethoden mittels Feldbustechnologie realisieren. Dies ersetzt eine Vielzahl von Sekundärkabeln, löst das Problem der komplexen Sekundärverdrahtung und ermöglicht einen echten Informationsaustausch. Darüber hinaus ist die Schnittstellengestaltung von Lichtschranken komfortabel. Durch den Einsatz modularer und objektorientierter Technologien für ein standardisiertes Hardware- und Software-Design werden die Anforderungen verschiedener Übertragungsmedien und Kommunikationsprotokolle und -standards erfüllt. Die Systeme sind flexibel skalierbar und anpassungsfähig. Dies sind Eigenschaften, die herkömmliche Messwandler nicht aufweisen. 2) Auswirkungen auf die Kommunikationssystemstruktur. Durch veränderte Kommunikationsmethoden und den Einsatz intelligenter elektronischer Geräte (IEDs) wie digitaler Leistungsschaltersteuerungen und elektronischer Schaltgeräte werden Funktionen zunehmend dezentralisiert. Das Stationsautomatisierungssystem hat sich von einer zweischichtigen zu einer dreischichtigen Struktur gewandelt: Prozessschicht, Feldschicht und Stationsschicht. Die Prozessschicht umfasst Komponenten wie fotoelektrische Sensoren, Zusammenführungseinheiten, Schaltelektronikmodule und intelligente Leistungsschaltersteuerungsmodule. Sie ermöglicht die Echtzeit-Erfassung elektrischer Größen im Betriebszustand, die Statusparametererfassung der Betriebsmittel sowie die Betriebssteuerung und Ansteuerungsfunktionen. Die Feldschicht beherbergt Schutz-, Mess- und Feldsteuerungseinheiten. Ihre Hauptfunktionen umfassen die Zusammenfassung der Echtzeitdaten der Prozessschicht des Feldes, die Implementierung von Schutzsteuerungsfunktionen für die Primärausrüstung, die Implementierung von Betriebsverriegelungsfunktionen, die Implementierung von Betriebssynchronisations- und anderen Steuerungsfunktionen, die Priorisierung der Datenerfassung, statistischen Berechnung und Steuerbefehlsausgabe sowie Kommunikationsfunktionen zwischen den oberen und unteren Schichten [6]. Mit den Strukturänderungen und dem Fortschritt der Kommunikationsnetzwerktechnologie wird das Kommunikationssystem von Umspannwerken schließlich die in Abbildung 2 dargestellte Struktur annehmen. Der Feldprozessbus und der Stationsbus werden zu einem einzigen Bus zusammengeführt, um den Informationsaustausch und die Systemintegration zu maximieren. 4. Anwendung von fotoelektrischen Sensoren in Umspannwerksautomatisierungssystemen Der Entwicklungsstand von Umspannwerksautomatisierungssystemen in meinem Land ist uneinheitlich und reicht von älteren, zentralisierten Schaltschrankautomatisierungssystemen bis hin zu fortschrittlichen, dezentralen und hierarchischen Automatisierungssystemen. Die Anwendung von fotoelektrischen Sensoren muss den Anforderungen von Umspannwerksautomatisierungssystemen auf verschiedenen Ebenen gerecht werden. Um die Kompatibilität mit älteren Systemen zu gewährleisten, wird die IEC-definierte Merging Unit (MU) zur Instrument Transducer Unit (ITU) erweitert. Dadurch können fotoelektrische Sensoren sowohl den analogen Ausgang herkömmlicher Messwandler digitalisieren als auch analoge Signale ausgeben [7]. Dies bietet eine höhere Flexibilität und erleichtert die Integration mit verschiedenen Systemschnittstellen. Das Funktionsstrukturdiagramm der ITU ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Aufbau der ITU sollte dem Prinzip der Modularisierung folgen. Die ITU enthält Module wie Merging Units, Datenkommunikationsmodule, integrierte Fehlerschreiber und Taktgeber. Durch den Einsatz modularer Kommunikationskomponenten ermöglicht die ITU die Punkt-zu-Punkt- und Prozessbus-Kommunikation mit Feldgeräten und lässt sich problemlos auf das Kommunikationsprotokoll des Standards IEC 61850-9-2 aufrüsten. Indem die ITU als grundlegende Verarbeitungseinheit dient und herkömmliche Messwandler und Sekundärkabel ersetzt, wird der Einsatz von Lichtschranken in Schaltanlagen realisiert. In meinem Land hat die ITU zur Verbesserung der Schaltanlagenautomatisierung drei Stufen eingeführt: 1) Die Stufe kombiniert herkömmliche Messwandler, Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und Prozessbus. In dieser Stufe werden die Messdaten der Lichtschranken direkt per Punkt-zu-Punkt-Verbindung an die Schutzeinrichtung übertragen. Die IEC hat hierfür die Standardprotokolle IEC 61850-9-1 und IEC 60044-8 definiert. Gleichzeitig überträgt die ITU den Effektivwert (RMS) über den Prozessbus an die Feldverarbeitungseinheit, die auch die Übertragung der Schaltanlageninformationen überwacht. Der Prozessbusstandard ist IEC 61850-9-2, und für die Implementierung kann 10-Mbit/s-Ethernet in Betracht gezogen werden. Das zugehörige Schema ist in Abbildung 4 dargestellt. 2) Phase der gemeinsamen Nutzung von Sensordaten über den Prozessbus. In dieser Phase werden die zuvor separat übertragenen Mess- und Steuerdaten über den Prozessbus zusammengeführt. Diese Zusammenführung vereinfacht die komplexe Verdrahtung in der Feldeinheit. Da jedoch Echtzeit-ITU-Messdaten und Steuerbefehle von Schutzgeräten über den Prozessbus übertragen werden, müssen Übertragungsgeschwindigkeit und Reaktionsfähigkeit des Prozessbusses höher sein als in der vorherigen Phase. Der Prozessbusstandard IEC 61850-9-2 ist weiterhin anwendbar, und für die Implementierung kann 100-Mbit/s-Ethernet in Betracht gezogen werden. 3) Vereinheitlichung von Prozessbus und Stationsbus mit gemeinsam genutzten Daten für die gesamte Station. Mit der Entwicklung der Fast-Ethernet-Technologie und moderner Netzwerk-Switching-Technologie ist die Verbindung des Stationsbusses mit dem darunterliegenden Prozessbus möglich geworden. Durch die einheitliche Verwendung des MMS-Protokollstandards in der Netzwerkkommunikationsschicht wird sichergestellt, dass Leistungsindikatoren wie die Echtzeitreaktion des Kommunikationssystems nicht beeinträchtigt werden. Die Vorteile der Busvereinheitlichung liegen erstens im vollständigen Informationsaustausch, den einheitlichen Zugriffs- und Speichermethoden und zweitens darin, dass Geräte auf Feldebene nur eine Kommunikationsschnittstelle benötigen. Dies reduziert die Betriebs- und Wartungskosten von Anlagen und Umspannwerken erheblich. Die Realisierung dieser Phase hängt von der Reife der abgestuften Fast-Ethernet-Technologie und der Verbesserung der Umspannwerkskommunikationsprotokolle ab [8]. Das zugehörige Schema ist in Abbildung 2 dargestellt. 5. Fazit: Aufgrund der digitalen Ausgabeeigenschaften von Lichtschranken und der Eigenschaften intelligenter elektronischer Geräte hat deren Anwendung weitreichende Auswirkungen auf die Kommunikationssysteme der Umspannwerksautomatisierung. Die Aufrüstung elektromagnetischer Messwandler durch Nutzung der fotoelektrischen Wandlungs- und Datenkommunikationsfunktionen von Lichtschranken zur Realisierung von Punkt-zu-Punkt-/Mehrpunkt-zu-Mehrpunkt- oder Feldbuskommunikation zwischen Prozess- und Feldebene stellt einen effektiven Weg zur Modernisierung und Transformation von Umspannwerksautomatisierungssystemen in meinem Land dar. Darüber hinaus ist der Aufbau neuer Stationsautomatisierungssysteme auf Basis von fotoelektrischen Sensoren und anderen intelligenten elektronischen Geräten, um eine nahtlose Kommunikation zwischen den verschiedenen Ebenen innerhalb der Station zu gewährleisten und den Informationsaustausch sowie die Systemintegration zu maximieren, die Entwicklungsrichtung für Stationsautomatisierungssysteme in meinem Land. 6 Referenzen 1 Qiao E, An Zuoping, Luo Chengmu. Entwicklung und Anwendung von fotoelektrischen Stromwandlern – Perspektiven der Transformatorentechnologie im 21. Jahrhundert. Relay, 2000, 37(1): 40–43 2 Jin Wuqiao, Hong Xianping. Anwendungsforschung neuer Technologien für die Stationsautomatisierung. Power System Technology, 2000, 24(5): 38–42 3 Zeng Qingyu. Zukünftige Entwicklung der Stationsautomatisierungstechnologie (I) – Energiemarkt und koordinierte Automatisierung. 2000, 24(9): 1–4 4 Nie Yixiong, Yin Xianggen, Zhang Zhe. Konzept eines Stationsautomatisierungssystems auf Basis von optischen Sensoren und Glasfasernetzen. China Electric Power, 2001, 34(8): 35–38 5 Nie Yixiong, Yin Xianggen, Zhang Zhe. Simulationsberechnung des transienten Verhaltens eines magnetischen Potentialmessgeräts. Automation of Electric Power System, 2002, 26(11): 28–31 6 Jie Ping. Forschung zum Kommunikationssystem für die Stationsautomatisierung auf Basis eines fotoelektrischen Transformators: [Dissertation]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2002. 7 R. Gross, HJ Herrmann, U. Katschinski. Stationssteuerungs- und Schutzsysteme für neuartige Sensoren. CIGRE-Sitzung, Paris, 2000: Beitrag 12/23/34-03 8 Tor Skeie, Svein Johannessen, Christoph Brunner. Ethernet in der Stationsautomatisierung. IEEE Control System Magazine, 2002, 22(3): 43–51