Bypass-Technologie erhöht WEA

Energy & wind
01  Mit optischer Bypass-Technologie
bleibt das Netz von Windenergieanlagen
selbst bei Multiple Points of Failure
physikalisch bestehen und damit
funktionstüchtig
Bypass-Technologie
erhöht WEA-Effizienz
Ein zuverlässiger Betrieb von Windenergieanlagen hängt maßgeblich von einer
reibungslosen Datenkommunikation ab. Fallen ein oder mehrere Netzteilnehmer
aus, kann es – je nach Topologie – dazu kommen, dass das komplette Netz nicht
mehr zur Verfügung steht. Abhilfe bietet ein optischer Bypass, wie beispielsweise
EKS Engel ihn anbietet.
Text: Thorsten Ebach
ie Datenkommunikation in modernen Windenergie­
anlagen (WEA) läuft fast ausschließlich über Licht­
D
wellen­leiter. Dabei kommen vor allem Singlemode-Fasern
zum Einsatz. Mit ihnen lassen sich Reichweiten von bis zu
100 km abdecken, bei Dämpfungswerten von 0,3 dB pro
Kilo­meter. Bei Übertragungsstrecken bis maximal 5 km kom­
men vorwiegend Multimode-Fasern zum Einsatz. Ihre Dämp­
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fung liegt bei 1 dB/km. Auch in puncto Sicherheit sind Licht­
wellenleiter den Kupferleitungen überlegen. Denn sie sind
unempfindlich gegen elektromagnetische Felder. Da sie aus
elektrisch nicht leitfähigem Material bestehen, werden die
Daten stets über einen elektrischen Isolator übertragen. D
­ amit
treten über Lichtwellenleiter keine Potentialausgleichsströme
auf, die auch bei Windenergieanlagen gefürchtet sind. Selbst
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vielen Herstellern auf Herz und Nieren
geprüft. Fehler während des Betriebs
lassen sich jedoch nie hundertprozen­
tig vermeiden. Ursache sind, abgese­
hen von falscher Bedienung, vor allem
Hard- und Softwareprobleme oder
Spannungsausfall.
Herkömmliche Schutzmaßnahmen
wirken nur bedingt
02  Der Bypass „x-light“ wird über zwei
optische Duplex-Ein- und -Ausgänge mit
dem Netzteilnehmer parallel geschaltet.
Fällt dieser aus, wird er physikalisch
überbrückt
bei Blitzeinschlägen besteht kein Zer­
störungsrisiko für die angeschlossenen
Geräte.
Die aktiven Komponenten, wie
Ethernet-Switche oder Feldbuskonver­
ter, werden vor der Auslieferung von
Ring
Ein Spannungsausfall lässt sich mit
­einer unterbrechungsfreien Spannungs­
versorgung (USV) zumindest eine Zeit
lang kompensieren. Die Software wird
sowohl evaluiert bzw. validiert als auch
automatisierten Testverfahren sowie
Struktur-, Funktions- und sogenann­
ten Black-Box-Tests unterzogen. Bei
der Hardware lautet das Zauberwort
Redundanz. Das heißt, Geräte sowie
Stecker und Leitungen sind zweifach
ausgeführt. Zugleich wird so auch
das Netz doppelt ausgelegt. Dadurch
erreicht man eine Art Hot-Stand-byEffekt: Fällt ein Gerät oder Netz aus,
wird auf das andere umgeschaltet.
Diese Strategie ist jedoch aufwen­
dig und damit teuer. Deshalb wurde
die Ringtopologie entwickelt. Hier
läuft die Datenkommunikation immer
„x-light“
A
B
in 1
out 1
A
B
RX
TX
A
B
in 2
out 2
A
B
RX
TX
Ring
Ring
„x-light“
A
B
in 1
out 1
A
B
RX
TX
A
B
in 2
out 2
A
B
RX
TX
Ring
03  Im normalen Betrieb leitet der optische Bypass die Daten an den parallel
geschalteten Teilnehmer weiter (oben). Im Fehlerfall werden sie nicht wie vorher
an den Ausgang, sondern den zweiten Eingang weitergeleitet (unten)
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in eine Richtung und bei einer Unterbrechung zusätzlich in
die andere. So bleibt die Funktion erhalten. Zusammen mit
Redundanzverfahren, die schnelle Umschaltzeiten sicher­
stellen, bildet die Ringtopologie, die auch in Windenergie­
anlagen häufig zu finden ist, sozusagen die Königsklasse der
Ausfallsicherheit. Denn sie verkraftet, im Gegensatz zur
­Linientopologie, einen Sin­gle Point of Failure, also den Aus­
fall eines Netzteilnehmers. Fällt jedoch ein weiterer aus
(Multiple Points of Failure), sind auch Ringe überfordert.
Damit es erst gar nicht so weit kommt, können Netze mit­
tels Monitoring-Systemen überwacht werden. Sie zeigen den
Status der aktiven Komponenten und, wie etwa „Fiberview“,
den Zustand der einzelnen Lichtwellenleiterstrecken an, ge­
nauer: eine zu hohe Dämpfung.
Die optische Bypass-Technologie, die bisher vor allem im
klassischen IT-Umfeld verwendet wird, geht noch einen
Schritt weiter. Denn sie setzt direkt bei den Netzteilnehmern
an. Das können alle Geräte sein, die einen optischen Einund Ausgang haben: in Windenergieanlagen neben EthernetSwitchen und Feldbuskonvertern etwa speicherprogram­
mierbare Steuerungen, Wechselrichter oder Stromzähler.
Fällt ein Netzteilnehmer aus, sorgt der Bypass dafür, dass die
Datenkommunikation zwischen benachbarten Teilnehmern
aufrechterhalten wird. Deshalb ist nur die Applikation be­
troffen, die über den ausgefallenen Teilnehmer gesteuert
wird. Das übrige Netz bleibt dagegen selbst bei Multiple
Points of Failure physikalisch bestehen und damit funktions­
tüchtig. Das gilt auch dann, wenn der Bypass, der entweder
über den zu schützenden Teilnehmer oder ein separates
Netzteil mit Spannung versorgt werden kann, keinen Strom
mehr bekommt.
Bypass-Technologie funktioniert
auch bei Spannungsausfall
Mit der optischen Bypass-Technologie werden Lichtwellen­
leiterstrecken physikalisch umgeschaltet, sobald an dem jewei­
ligen Netzteilnehmer ein Fehler auftritt. Das Prinzip ähnelt
einer Eisenbahnweiche, die von einem starken Elektromag­
neten gehalten wird und, wenn kein Strom mehr fließt, sich
automatisch umstellt. Deshalb funktioniert die BypassTechnologie selbst ohne Spannung, was der eigentliche Clou
ist. Da sich diese Technologie auf der physikalischen Ebene
des Netzes abspielt, ist sie zudem protokolltransparent und
herstellerneu­tral.
Mit dem „x-light“ hat EKS Engel [1] die optische BypassTechnologie für raue Umgebungen tauglich gemacht, etwa
hinsichtlich Temperaturbereich sowie Schock- und Vibra­
tionsfestigkeit. Damit kann sie jetzt auch in Windenergie­
anlagen eingesetzt werden (Bild 1 und Bild 2). Der optische
Bypass wird über zwei optische Duplex-Ein- und -Ausgän­
ge mit dem jeweiligen Netzteilnehmer parallel geschaltet.
Fällt dieser aus, schickt dessen Fehlerrelais ein Signal an
den elektrischen Eingang des „x-light“ und aktiviert so die
Bypass-Funktion (Bild 3). Danach werden die Daten nicht
an den defekten Teilnehmer, sondern an den nächsten im
Netz weitergeleitet. Mit anderen Worten: Der Teilnehmer
wird physikalisch überbrückt. Um ihn später wieder sicher
zuschalten zu können, etwa nach dem Booten, ist die Ein­
schaltverzögerung individuell einstellbar.
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Teilnehmer gezielt vom Netz nehmen
Mit dem optischen Bypass lassen sich Netze von Windener­
gieanlagen jedoch nicht nur gegen die Auswirkungen von
Hard- und Softwarefehlern oder Ausfall der Spannungsver­
sorgung bzw. Unterschreiten eines zuvor definierten Werts
schützen, sondern auch Teilnehmer gezielt vom Netz neh­
men. Dadurch können beispielsweise Rotoren stillgelegt
werden, wenn der Wind zu stark ist oder Wartungsarbeiten
in der Gondel durchgeführt werden sollen. Dazu wird eine
Spannung an den elektrischen Eingang des jeweiligen Bypass
angelegt und der angeschlossene Teilnehmer so komplett ab­
geschaltet. Er kann also nicht mehr unkontrolliert senden und
empfangen, und das ohne dass dazu die LichtwellenleiterStecker gezogen werden müssen. Denn das führt unter Um­
ständen zu Problemen, etwa durch Schmutzpartikel, die in
die Verbindung hineingelangen.
Fazit
Ein optischer Bypass macht sich nicht nur in Windenergie­
anlagen bezahlt, sondern überall dort, wo ein Netzausfall
finanzielle Einbußen, schädliche Auswirkungen auf die Um­
welt oder gar eine Gefährdung von Menschen nach sich
ziehen kann. Redundanzverfahren gewährleisten zwar je
nach Protokoll, Netztopologie und Anzahl der aktiven Ge­
räte Umschaltzeiten von wenigen Millisekunden. Wenn je­
doch ein oder mehrere Fehler gleichzeitig auftreten, ist eine
Unterbrechung der Datenkommunikation vorprogram­
miert.
Da der „x-light“ als Stand-alone-Gerät konzipiert ist, lässt
er sich auch problemlos nachrüsten. Denn weder Übertra­
gungsprotokolle noch herstellerspezifische Standards spielen
eine Rolle. Diese Flexibilität ginge verloren, wenn die BypassFunktion in einen Ethernet-Switch oder Feldbuskonverter
­integriert würde, was trotz mancher Herausforderungen
durchaus möglich ist. Der Bypass „x-light“ wird über zwei
optische Duplex-Ein- und -Ausgänge mit dem Netzteilneh­
mer parallel geschaltet. Fällt dieser aus, wird er physikalisch
überbrückt.(ih)
Hannover Messe
↗↗EKS Engel: Halle 9, Stand A33
 
Literatur
[1]EKS Engel GmbH & Co. KG, Wenden: www.eks-engel.de
Autor
Thorsten Ebachist Vertriebsleiter bei
der EKS Engel GmbH & Co. KG in Wenden.
[email protected]
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