WHITE PAPER Höhere Verfügbarkeit von Kraftwerken durch fehlertolerante Glasfasernetze - Optischer Bypass in Windparks

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1 Courtesy of Vestas Wind Systems A/S WHITE PAPER Höhere Verfügbarkeit von Kraftwerken durch fehlertolerante Glasfasernetze - Optischer Bypass in Windparks

2 Courtesy of Vestas Wind Systems A/S Höhere Verfügbarkeit von Kraftwerken durch fehlertolerante Glasfasernetze - Optischer Bypass in Windparks Kraftwerke stellen höchste Ansprüche an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Dies gilt ganz besonders für Windparks, deren Standorte weitläufig und oft schwer zugänglich sind. Moderne, glasfaserbasierende Steuerungen für diese Anlagen müssen dem Rechnung tragen und fehlertolerant ausgelegt sein. Der Albtraum jedes Windparkbetreibers: Eine Störung in einer Baugruppe legt ganze Bereiche lahm, und das Wetter ist zu schlecht, um einen Servicetechniker zu schicken. Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit stellen besonders bei schlecht erreichbaren Standorten wie Offshore-Anlagen hohe Ansprüche an Konzeption und Realisierung. Das betrifft nicht nur die Energieerzeugung selbst, sondern auch die Überwachung und Steuerung der Anlagen. Für die datentechnische Vernetzung greift man daher gerne auf Glasfasern zurück, denn Glasfasernetze zählen zu den zuverlässigsten Übertragungsmedien überhaupt. Immun gegen Interferenzen und elektromagnetische Störungen übertragen sie höchste Datenraten zuverlässig über viele Kilometer. Um die Ausfallsicherheit weiter zu erhöhen, hat sich in kritischen Umgebungen eine ringförmige Verkabelungsstruktur durchgesetzt. Auch wenn der Ring an einer Stelle unterbrochen wird, sind dennoch alle Geräte weiterhin miteinander verbunden. Doch das vermeintliche Plus an Sicherheit kann trügen. Fällt mehr als nur ein Netzwerkknoten aus sei es wegen Software-Problemen, Hardware-Fehlern, mechanischen Beschädigungen oder durch einen Stromausfall dann kann auch die Ringstruktur nicht helfen. Der gesamte Bereich zwischen den beiden ausgefallenen Knoten ist nicht mehr erreichbar. Für ein wirklich fehlertolerantes System müssten Kabelwege, Leitungen, Zuführungen zu den Netzwerkknoten und die Netzwerkknoten nach dem Prinzip 2*(N+1) ausgeführt sein: Alles ist doppelt vorzusehen, und dabei erhält jedes Teilsystem eine Komponente mehr, als für den Betrieb unmittelbar benötigt. Dazu kämen unterbrechungsfreie Stromversorgungen und Pufferbatterien, ebenfalls doppelt und mit einer zusätzlichen Baugruppe! Zu den immensen Anschaffungskosten kämen die noch höheren Wartungskosten und der enorme Aufwand für die Administration. Ein solches Szenario ist kaum zu finanzieren. 1

3 Risk Management zeigt Ansatzmöglichkeiten Untersuchungen zeigen, dass der Ausfall der nachgelagerten Bereiche weit kritischer ist als der Ausfall des Netzwerkknotens selbst. Mit einem ausgefallenen Knoten und der daran angeschlossenen Anlage kommt man oft zurecht. Anders sieht es aus, wenn ganze Teile eines Windparks von der Datenkommunikation abgeschnitten sind. Da stellt sich die Frage: Was kostet ein Ausfall? Wie lange kann auf den abgeschnittenen Bereich verzichtet werden? Und wie viel könnte ein Unternehmen sparen, wenn es mit einfachen technischen Lösungen gelänge, ausgefallene Anlagenteile wirksam zu überbrücken, so dass die übrigen unbeeinträchtigt weiterarbeiten können, bis die eine defekte Anlage instand gesetzt werden kann? Das selbe gilt für Ausfallzeiten durch geplante Wartungsarbeiten. Die Kosten sind immens, wenn größere Bereiche eines Windparks für Wartungsarbeiten vom Netz genommen werden müssen. Die zu wartende Anlage muss einzeln freigeschaltet werden können. Eine einfache, technisch robuste Lösung, die die ausgefallene Anlage einfach überbrückt, der Rest des Netzes inklusive aller nachgelagerten Bereiche aber weiterhin funktionsfähig bleibt, wäre eine lohnende Investition. Für Wartungsarbeiten kann der Bypass manuell ausgelöst werden. Damit müssen Netzwerkknoten nicht mehr aufwendig heruntergefahren werden der Bypass trennt den zu wartenden Knoten im laufenden Betrieb vom Netz und ermöglicht damit eine unterbrechungsfreie Instandhaltung und Wartung. Durch die damit verbundenen geringeren Wartungskosten rechnet sich diese Lösung schnell. Auch mehrere Anlagen können im laufenden Betrieb des Gesamtnetzes gleichzeitig gewartet oder getauscht werden, denn die übrigen Anlagen und Netzbereiche sind von den Arbeiten nicht betroffen. Mit einem einfachen Alarmrelais können auch externe Alarmmittel angesteuert werden, was die automatische Alarmierung und den Administrationsaufwand erheblich vereinfacht und sich in niedrigeren Betriebskosten widerspiegelt. MICROSENS - Installationsszenario Bypass schützt vor Ausfall Ein optischer Bypass löst dieses Problem zuverlässig und wirtschaftlich. Fällt ein Netzwerkknoten aus, überbrückt ihn der Bypass vollautomatisch und hält die Kommunikation über den ausgefallenen Knotenpunkt hinweg aufrecht. Mit dem von MICROSENS wird das optische Netz fehlertolerant und bietet dem Kraftwerksbetreiber eine deutlich höhere Gesamtverfügbarkeit des Netzes. Auch wenn einzelne Netzwerkknoten ausfallen, sind alle anderen Teilbereiche weiterhin erreichbar. Der Ausfall beschränkt sich auf den ausgefallenen Netzknoten. Funktion des optischen Bypass: Im Normalbetrieb läuft die Kommunikation über den Netzwerkknoten wie gewohnt (links), im Fehlerfall wird er automatisch überbrückt (rechts). MICROSENS - Ringtopologie F F Anwendung für die Hutschienenmontage: Der (rechts) schützt den mit Netzteil (Mitte und links). MICROSENS - Bustopologie 2 Fi

4 MICROSENS - Installationsszenario Praxisbewährt in Offshore-Windparks Das Bypass-Konzept hat sich in der Praxis bewährt. Die ersten Offshore-Windparks wurden bereits mit dem von MICROSENS ausgestattet. Einer dieser Parks besteht aus einhundert Einzelanlagen, die in Gruppen von jeweils zehn Windkraft-Anlagen zusammengefasst sind. Jede dieser Gruppen ist über einen Glasfaserring mit der zentralen Steuertechnik vernetzt. Würde bei der herkömmlichen Verkabelung ohne Bypass ein Netzwerkknoten in einer Gruppe ausfallen, wären die übrigen neun Anlagen weiterhin arbeitsfähig. Sollte ein zweiter Knoten ausfallen, wären alle Windkraftanlagen zwischen den beiden ausgefallenen Knoten nicht mehr erreichbar und müssten zwangsweise automatisch abgeschaltet werden. Der dadurch entstehende Schaden pro Tag wäre beträchtlich, denn Lieferverträge für Strom sehen bei Nichtlieferung hohe Strafzahlungen vor. Ein Serviceteam müsste sich kurzfristig vor Ort begeben und den Fehler schnellstmöglich beseitigen. Bei Windparks in der Nordsee kann es aber durchaus vorkommen, dass das Wetter tagelang manchmal bis zu drei Wochen zu schlecht ist, um den Windpark per Schiff oder per Hubschrauber zu erreichen. Der Schaden durch einen solchen Ausfall wäre immens! Aus diesem Grund entschied sich der Betreiber des Windparks für den, den optischen Bypass von MICROSENS. Der Bypass überbrückt den ausgefallenen Netzwerkknoten in kürzester Zeit, alle anderen Anlagen bleiben weiterhin erreichbar und können unbeeinträchtigt weiterarbeiten. Bei nur einem einzigen Ausfall, bei dem der optische Bypass dafür sorgt, dass die übrigen Anlagen erreichbar bleiben, hat sich die Investition bereits mehr als amortisiert. Ein weiterer Vorteil: Da jede Windkraftanlage über einen eigenen optischen Bypass verfügt, können mehrere Wartungsteams gleichzeitig verschiedene Anlagen warten, ohne dass die übrigen beeinträchtigt werden, was die Wartungskosten deutlich senkt. Natürlich eignet sich das Bypass-Konzept ebenfalls für Onshore-Anlagen, die oftmals in abgelegenen ländlichen Gebieten errichtet werden. MICROSENS - Installationsszenario MICROSENS - Ringtopologie Der Einsatz von es in einer Ringtopologie schützt MICROSENS - Bustopologie das Glasfaser-Netz auch bei Fiber mehreren Protection Fehlerquellen. MICROSENS - Ringtopologie MICROSENS - Bustopologie Beim Einsatz von es in einer Bustopologie sind alle hinter der Fehlerquelle liegenden Netzknoten weiterhin erreichbar. 3

5 Zuverlässigkeit durch robustes Design Natürlich darf ein optischer Bypass nicht selbst zu einer Fehlerquelle werden. Er muss daher möglichst einfach und robust konstruiert sein, um zusätzliche Fehlerquellen zu vermeiden. Praxisgerechte Konzeption bedeutet: keine Programmierung, keine Konfiguration und keine Firmware, für die man Updates einspielen muss oder die zu einem Systemabsturz führen kann. Der Verzicht auf komplexe Halbleitertechnik macht den Bypass extrem robust. Im Normalbetrieb arbeitet er als Schalter normal zu. Läuft der Netzknoten, den der Bypass schützen soll, dann arbeitet der im Zustand offen, und sämtliche Daten fließen über den Netzknoten. Fällt der Netzknoten aus oder bricht die Energieversorgung an dieser Stelle zusammen, fällt der Schalter automatisch zu und überbrückt den ausgefallenen Knoten. Herstellerneutral und ohne Konfigurationsaufwand. Und durch seine hohe Temperaturfestigkeit und sein robustes Design ist er für härteste Umgebungsbedingungen geeignet. Courtesy of Vestas Wind Systems A/S Fazit Durch einen optischen Bypass können Betreiber von Windparks von einem deutlichen Plus an Ausfallsicherheit und Wirtschaftlichkeit profitieren. Die robuste Ausführung ohne aufwendige Halbleitertechnik und Firmware bietet eine bislang unerreichte Zuverlässigkeit auch unter extrem rauen Bedingungen. Gerade für abgelegene und schwer zugängliche Anlagen amortisiert sich die Investition in einen automatischen Bypasses bereits in kurzer Zeit. Weitere Informationen zum : 4