Funkbasierte Kommunikation im Wasserkraftwerk

Einfach handhabbare und kostengünstige Lösung

Generatoren im Wasserkraftwerk Niederhausen

Generatoren im Wasserkraftwerk Niederhausen

Zum Betrieb des Wasserkraftwerks Niederhausen zählt auch die Pegelüberwachung des angegliederten Stausees. Die ermittelten Werte sowie die Betriebszustände der Hochwasser- und Grundwasser-Entwässerungspumpen werden über das Funksystem Trusted Wireless an ein Master-Funkmodul in einem der Wehrtürme übertragen.

Von dort werden die Daten via SHDSL-Modems an eine zentrale Steuerung im Kraftwerksgebäude weitergeleitet.

Anwendung

Die rheinland-pfälzische Gemeinde Niederhausen zeichnet sich nicht nur durch ihre idyllische Lage inmitten von Weinbergen aus. In unmittelbarer Nähe des Orts befindet sich zudem ein Stausee mit einem Volumen von 800.000 Kubikmetern, der Anziehungspunkt für viele Freizeitsportler und Erholungssuchende ist.

Neben dem von der Bevölkerung geschätzten Entspannungswert fungiert der Stausee als wichtige Komponente für die Stromversorgung des Nahe-Hunsrück-Raums. Denn an seinem Ufer wurden ein Wasserkraftwerk und eine Umspannanlage errichtet, die zum RWE Konzern in Essen gehören. Betrieben werden die Anlagen von der RWE Deutschland AG und der RWE Power AG.

Lösung

Höhenunterschied bestimmt die erzeugte Strommenge

Im Jahr 1926/27 verlegte die damalige Rheinisch-Westfälische-Elektrizitätswerk Aktiengesellschaft eine 110-/20-kV-Umspannanlage und eine 110-kV-Doppelleitung von Koblenz nach Niederhausen. Der Gemeinde kam dabei eine zentrale Bedeutung zu, weil dort zur selben Zeit ein Wasserkraftwerk erbaut wurde, das gut mit dem Umspannwerk kombiniert werden konnte. Als Ergebnis speiste der Energieerzeuger 1928 erstmals den aus dem Niederhausener Wasser gewonnenen Strom in das Leitungsnetz ein. 

Das Niederhausener Wasserkraftwerk zählt noch immer zu den größten Anlagen in der Region Rhein-Nahe-Hunsrück. Derzeit beliefert es rund 1400 Tarifkunden mit Strom. Bei der Energieerzeugung spielt der Stausee eine wesentliche Rolle. Sein Wasser wird durch einen 760 Meter langen Oberwasserkanal zwei senkrecht angeordneten Kaplan-Turbinen zugeführt, die im Kraftwerksgebäude installiert sind. Die Drehbewegung der Welle treibt einen Generator an, der über senkrecht stehende Achsen mit den Turbinen verbunden ist. Anschließend wird das Wasser über den tiefer liegenden Unterwasserkanal zurück in die Nahe geleitet.

Die Stromausbeute hängt vom Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterwasserkanal ab. So sinkt die gewonnene Energiemenge, wenn der Pegel im Unterwasserkanal bei Hochwasser steigt und somit die Höhendifferenz zum Oberwasserkanal abnimmt. Die optimale Durchflussmenge im Kanal beträgt etwa 45 Kubikmeter pro Sekunde. Bei diesem Wert liefern die beiden Turbinen die größtmögliche Strommenge.

Überwachungsstationen leiten Signale an Master-Funkmodul weiter

Der Stausee verfügt über eine Stauwehranlage, die die Zufuhr der Wassermenge in den Oberwasserkanal regelt. Um den zuverlässigen Betrieb des Kraftwerks sicherzustellen, muss der Stauseepegel überwacht werden. Dazu sind die Messung des Wasserpegels sowie die Überwachung der Hochwasser- und Grundwasserpumpen erforderlich. Zur permanenten Kontrolle der Betriebszustände der Pumpen sowie des Pegels wurde rund um den Stausee ein Funksystem aufgebaut. Eine alternativ mögliche Kabellösung wäre hier zu aufwändig und teuer gewesen. Zentraler Punkt des Funksystems Trusted Wireless von Phoenix Contact ist einer der Wehrtürme. Im Gebäude befindet sich ein Schaltkasten mit dem Master-Funkmodul, das an einem Profibus-Gateway angekoppelt ist.

Als weitere Überwachungsstationen dienen ein Pegelmesshaus sowie drei Pumpenhäuschen. In den vier Bauwerken sind jeweils Funkmodule in Kombination mit analogen oder digitalen Ein- und Ausgabegeräten montiert. Die Wireless-Komponenten übertragen die Signale an das Master-Funkmodul im Wehrturm. Im Pegelmesshaus wird die aktuelle Wasserhöhe des Sees kontinuierlich erfasst, sodass die Kraftwerksmitarbeiter schnell auf Veränderungen reagieren können. In der Vergangenheit mussten sie die Daten manuell an einer Pegeluhr ablesen, was zeitaufwändig war. In den Pumpenhäuschen werden derzeit die Störmeldungen der Pumpen aufgenommen und per Funk an das Master-Modul im Wehrturm weitergeleitet.

Pegelmesshaus und Stauwehranlage mit den Wehrtürmen  

Sichtverbindung zwischen Pegelmesshaus und Stauwehranlage mit den Wehrtürmen

Als kostengünstige Lösung bietet sich hier das Profibus-SHDSL-Modem von Phoenix Contact an. Ein Modem ist dabei im Wehrturm verbaut und dort mit dem Profibus-Gateway gekoppelt. Das zweite Gerät befindet sich neben der Vipa-Steuerung im Schaltschrank des Kraftwerksgebäudes. Die als Profibus-DP-Master fungierende Vipa-Steuerung erfasst sämtliche in den Betriebsstätten anfallenden Signale. Sie ist über das SHDSL-Modem an ein Profibus-Gateway (Profibus-Slave) angebunden. Das im Schaltkasten des Wehrturms montierte Profibus-Gateway nutzt seine RS232-Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Master-Funkmodul aus der Produktfamilie RAD-Line Serial.

Das Master-Funkmodul baut die Verbindung zu den vier entfernten Repeater/Slave-Funkgeräten auf, wobei das System auf maximal zehn Wireless-Module erweitert werden kann. Mit der Trusted-Wireless-Technologie lassen sich bei freier Sicht Distanzen von typisch zwei Kilometern zwischen zwei Geräten überbrücken. Jedes Repeater/Slave-Funkmodul kann über die anreihbaren I/O-Erweiterungskomponenten Signale aufnehmen und gleichzeitig Daten an weitere Funkteilnehmer übertragen. Die Repeater-Funktion ermöglicht die Überwindung größerer Entfernungen sowie das Umgehen von Hindernissen.

SHDSL-Modems sorgen für zuverlässige drahtgebundene Kommunikation

Da im Wasserkraftwerk Niederhausen ein Umbau der Leittechnik geplant ist, wurde das Funksystem bereits auf die Erfassung zusätzlicher Signale vorbereitet, so Bernhard Beicher von der RWE Power AG aus Bernkastel-Kues. Dazu zählt die Übertragung von Motorströmen der Pumpen. Wie bereits erwähnt, werden die Signale im Wehrturm aufgenommen und über das Profibus-Gateway direkt in das Profibus-Protokoll umgewandelt. Die Steuerung ist jedoch im rund 800 Meter entfernten Kraftwerksgebäude installiert. Zur Verbindung von zentraler Steuerung und Profibus-Gateway greifen die Verantwortlichen auf eine vorhandene Kabelverbindung zurück, um Kosten zu sparen. Weil es sich um eine einfache Kupferleitung handelt, kann das Profibus-Signal nicht ohne weiteres über das Kabel ausgetauscht werden. Denn je nach Übertragungsgeschwindigkeit ist die Segmentlänge auf bis zu 100 Meter begrenzt.

Übertragungsgeschwindigkeit wird automatisch eingestellt

Die Funklösung RAD-Line Serial-IO arbeitet im lizenzfreien 2,4-GHz-Frequenzband. Die Wireless-Module werden mit einer kostenfrei erhältlichen Software konfiguriert. Ein Assistent führt den Anwender durch die notwendigen Arbeitsschritte. Das Gateway lässt sich ebenfalls mit geringem Aufwand über seine GSD-Gerätebeschreibungsdatei als Slave-Teilnehmer in das Profibus-DP-Netzwerk der Steuerung integrieren. Dabei können vordefinierte Funkstationen im Feld, die um anreihbare analoge oder digitale Ein- und Ausgabemodule ergänzt worden sind, einfach in das Funksystem eingebunden werden. Die Profibus-Übertragungsgeschwindigkeit bis 12 MBit/s wird automatisch – also ohne Konfiguration – eingestellt. Die Auswahl der Profibus-Adresse des Gateways erfolgt über DIP-Schalter.

Bernd Gumm, Bereichsleiter der Umspannanlage und Talsperrenwärter in Niederhausen

Bernd Gumm, Bereichsleiter der Umspannanlage und Talsperrenwärter in Niederhausen

„Die Konfiguration und Inbetriebnahme der RAD-Line-Funkmodule, des Profibus-Gateways sowie des SHDSL-Modems gestaltete sich einfach“, erklärt Bernhard Beicher, der für die Inbetriebnahme zuständig war. „Die Funkkommunikation ist für uns auch zukünftig eine echte Alternative zur kabelgebundenen Lösung in anderen Anlagenteilen des Wasserwerks“, ergänzt Bernd Gumm, Bereichsleiter in Niederhausen.

Zuverlässiges Funksystem für I/O- und serielle Daten

Die robuste und zuverlässige Funktechnologie Trusted Wireless von Phoenix Contact bietet sich in industriellen Anlagen an, um geringe Datenmengen zyklisch über große Entfernungen von typisch bis zu drei Kilometern zu übertragen. Digitale Schaltsignale und analoge Sensorsignale werden dabei von den RAD-Line-I/O-Modulen aufgenommen und weitergeleitet. Die Produktlinie ist als uni- und bidirektionales System erhältlich. Neben der Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Multipunkt-Verbindung sorgen Repeater für die Überbrückung von Hindernissen oder längeren Strecken.

Fazit

Die RAD-Line Serial-Produktfamilie erlaubt die Übertragung serieller Daten über die RS232-, RS422- oder RS485-Schnittstelle sowie von analogen und digitalen Signalen in einem vermaschten Netzwerk. Im Funknetz, das aus einem Master und bis zu 254 Slaves besteht, kann jedes Slave-Modul auch als Repeater arbeiten. Die einfach handhabbaren Systemkomponenten sind gemäß den Richtlinien 94/9/EG (ATEX) sowie IECEx zertifiziert, sodass sie national und international in explosionsgefährdeten Bereichen (Zone 2) verwendet werden können.

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