Die neue VD4-Familie ist darauf ausgelegt, Steuerung und Schutz für Kabel, Freileitungen, Verteilnetzstationen, Motoren, Transformatoren, Generatoren und Kondensatorbänke zu bieten. Die neue Leistungsschaltergeneration berücksichtigt die Bedingungen auf der Versorgungsseite (Spannung, Frequenz, Oberschwingungen usw.) und der Lastseite (Stromwerte, Phasenverschiebung usw.) bei der Steuerung und Ausführung von Befehlen. Das heißt, die Schalter passen ihr Verhalten an die Netzbedingungen an und ermöglichen so eine Optimierung der Stromunterbrechung sowie der mechanischen und elektrischen Lebensdauer. Der VD4 Evo steigert die Effizienz laut Anbieter um bis zu 60 Prozent und reduziert unerwartete Ausfälle um 30 Prozent. Er zeichnet sich durch ein um 15 Prozent kompakteres Design aus und verbessert den Betrieb durch integrierte Überwachungs- und Diagnosefunktionen. Sensoren überwachen und analysieren nicht nur kontinuierlich den Betriebszustand, sondern kommunizieren diesen auch an eine Bedienschnittstelle (HMI) vor Ort. Durch Integration neuer Komponenten, Steuerungs- und Diagnosefunktionen und die Einführung neuer Services im Rahmen des Lebensdauermanagements für den VD4 können gezielte Maßnahmen zur Fehlerbehebung getroffen und eine zustandsabhängige und vorausschauende Wartung ermöglicht werden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit, verlängert die Lebensdauer und begrenzt mögliche Auswirkungen auf das Stromnetz.
Verbesserter Schalterbetrieb
Die in den Schalter integrierten Hightech-Sensoren sind die „Augen und Ohren“ des neuen VD4 Evo. Damit stehen erstmalig spezielle Sensoren zur Überwachung verschiedener mechanischer Parameter, elektrischer Parameter sowie der Temperatur und anderer relevanter Signale an Bord des Schalters zur Verfügung. Die Sensoren erfassen durchgängig Daten zum Schalterbetrieb, die sowohl „kontinuierliche“ Parameter wie Temperatur und Primärstrom als auch „ereignisbezogene“ Parameter wie Vibrationen beim Öffnen oder Schließen beinhalten. Zudem können die Informationen mit dem intelligenten System innerhalb der Steuerungs- und Überwachungseinheit (Control and Monitoring Unit, CMU) des Schalters geteilt werden, die das Herzstück der Überwachungs- und Diagnosefunktionen (M&D) bildet.
CMU und Maxwell-Plattform
Die CMU basiert auf Maxwell, der ABB-eigenen Plattform, die speziell auf die Unterstützung von M&D-Funktionen und ABB Ability ausgelegt ist. Die Lösung ermöglicht die Erfassung, Verarbeitung und Analyse der Daten von Sensoren und anderen intelligenten Geräten. Die Maxwell-Architektur basiert auf einem modularen Konzept mit folgenden Elementen:
1. Einem System-on-Module (CPUM), in dem das Betriebssystem (Linux Embedded OS) sowie anwendungsspezifische Analysen und Bedienoberflächen entwickelt werden.
2. Einem Carrier Board für die jeweiligen anwendungsspezifischen Hardwareschnittstellen, zum Beispiel für das Energiemanagement, die vorgelagerte/nachgelagerte Kommunikation sowie E/A-Funktionen.
Entsprechende Kommunikationsfunktionen ermöglichen eine Fernüberwachung und prompte Reaktion auf kritische Ereignisse. Durch die Kommunikation mit Automatisierungs- und Leitsystemen wie dem ABB Ability Scada-System Zenon zur Implementierung korrektiver Schutzmaßnahmen werden negative Auswirkungen auf andere Teile des Smart Grid minimiert. Effizienz und Zuverlässigkeit werden sichergestellt, Ausfallzeiten werden reduziert und die Stromkontinuität wird verbessert.
Überwachungs- und Diagnosekonzentrator
Da eine schnelle Datenerfassung nicht ausreicht, verarbeitet der intelligente Konzentrator des VD4 Evo die Daten, indem er die Informationen von den Sensoren (z. B. Zählern) zusammenfasst und weiterleitet. Dies erfolgt entweder kontinuierlich in Echtzeit oder periodisch. Mithilfe spezieller Algorithmen sucht das Gerät nach Anomalien oder Problemen im Schalter wie Übertemperaturen oder anderes ungewöhnliches Verhalten. Auf der Grundlage der verarbeiteten Informationen diagnostiziert die intelligente Einheit den Zustand des Schalters und warnt vor kritischen Situationen, die sofortige Maßnahmen erfordern. Das digitale Herz des VD4 Evo ermöglicht zudem eine direkte Verbindung mit dem Zustandsmanagementsystem des Schalters: Die CMU ermöglicht sowohl den drahtlosen Zugang zu Informationen per Mobiltelefon oder Tablet über einen QR-Code als auch eine direkte Integration in das Scada-System. Die Anwendung neuester Cybersicherheitsstandards sorgt dafür, dass die Datenübertragung und -speicherung sicher sind.
Datenmanagement und Cybersicherheit
Ein Leistungsschalter, der Daten erfasst und bereitstellt, ist nicht nur mit technischen Herausforderungen verbunden, sondern stellt auch erhöhte Anforderungen an die Datensicherheit. Die Konnektivität bietet nicht nur Vorteile in puncto Flexibilität und Effizienz, sondern vergrößert auch die Angriffsfläche durch die zusätzlichen M&D-Funktionen. Dies gilt für den digitalen Teil – die primäre Funktion des Schalters bleibt unbeeinflusst. Dennoch führt die zunehmende Integration von Betriebstechnologie (OT) und Informationstechnologie (IT) zur Entstehung immer komplizierterer Netzwerke und Geräte, die bei unzureichender Cybersicherheit anfällig für Angriffe sein können. Aus diesem Grund kommen beim VD4 Evo bewährte Cybersicherheitsverfahren zur Anwendung. Die Gewährleistung der Cybersicherheit im OT-Bereich unterscheidet sich deutlich von der Cybersicherheit im IT-Bereich, denn die Geräte müssen in Echtzeit funktionieren, Ausfälle sind nicht tolerierbar, die Technologielebenszyklen sind länger (> 20 Jahre im Vergleich zu fünf Jahren), und Patch-Updates sind schwieriger umzusetzen und dauern länger. Hinzu kommt typischerweise ein geringeres Sicherheitsbewusstsein unter den Nutzern. Trotzdem gilt es, die Vertraulichkeit, Verfügbarkeit und Integrität der Daten sicherzustellen, Gefährdungen der Datensicherheit zu beurteilen und eine tiefengestaffelte Verteidigungsstrategie (Defense-in-Depth) zu etablieren. Aus diesem Grund wurden Cybersicherheitsaspekte bei der Entwicklung des VD4 Evo von Anfang an berücksichtigt. Dabei kam unter anderem das Verfahren der Bedrohungsmodellierung (Threat Modeling) zum Einsatz, das von Microsoft definiert und im Prozess von ABB für die Behandlung von Schwachstellen verankert ist, sowie die Überprüfung der Architektur anhand des Stride-Modells. Zur Härtung des Produkts wurden ungenutzte Ports und Diente entfernt, ein Traffic Limiter zur Verhinderung von DoS-Angriffen (Denial of Service) integriert und eine Datenverschlüsselung über einen TLS-Kanal (Transport Layer Security) realisiert. Das Gerät nutzt eine rollenbasierte Zugriffskontrolle (RBAC), bei der so viele Nutzeraccounts konfiguriert werden können, wie es reale Produktnutzer gibt. Aus Sicherheitsgründen werden den Nutzern nach dem Pola-Prinzip (Principle Of Least Privileges) unterschiedliche Rechte zugeordnet. Das System kann einfach über seine Web-Schnittstelle aktualisiert werden. Alle Softwareupdates werden über die PKI (Public Key Infrastructure) von ABB signiert, und jede nicht authentische Software wird automatisch verworfen. Zur zusätzlichen Absicherung bei einer Cloud-Anbindung nutzt das Produkt einen Mikroprozessor mit einem Secure-Boot-Modul und ein TMP-ähnliches (Trusted Platform Model) sicheres Element. Diese Sicherheitsmerkmale sorgen dafür, dass der VD4 Evo die notwendigen Standards in puncto Cybersicherheit erfüllt.
Dashboard-Schnittstelle
Beim VD4 Evo dient das Dashboard als Steuercockpit für den Nutzer. Es zeigt den aktuellen Stromfluss und den allgemeinen Zustand des Schalters und informiert mithilfe von integrierten elektronischen Sensoren über die Einhaltung von Grenzwerten. Die dargestellten physikalischen Größen sind unterteilt in thermische, mechanische und elektrische Parameter. Zur thermischen Überwachung können bis zu 13 Wärmesensoren installiert werden: Sechs Sensoren sind in den Kontaktarmen des Schalters integriert, sechs weitere Sensoren können zur Zustandsüberwachung der Kabel und Sammelschienen und ein weiterer Sensor kann zur Überwachung der Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit hinzugefügt werden. Die Analysefunktion erkennt kritische Zustände im Primärstrompfad wie schlechte, lose oder beschädigte mechanische und/oder elektrische Verbindungen. Zur elektrischen Überwachung werden die Daten von einem im Schaltfeld installierten Stromsensor verwendet, um die Restlebensdauer der Vakuum-Schaltkammern zu schätzen. Dazu wird der Primärstrom einschließlich aller durch den Schalter fließenden Ausschaltströme kontinuierlich überwacht. Die elektrischen und thermischen Daten werden für eine erweiterte dynamische thermische Überwachung kombiniert. Diese berücksichtigt die elektrische Last und die Umgebungsbedingungen, um die Temperaturgrenzen spezifischer Anwendungen aufzuzeigen. Die thermische Einstellung ist vollständig konfigurierbar. Die mechanische Überwachung basiert auf einem komplexen Zusammenspiel kinematischer Komponenten in Form von Toleranzen, Zubehör und Federbewegungen. Jede mechanische Betätigung wird von einem magnetischen Winkelsensor überwacht, der präzise auf der Hauptwelle des Schalters angebracht ist, um die gesamte Bewegung (Position, Geschwindigkeit) zu erfassen. Drei Hall-Sensoren überwachen die Hilfsströme, die die Aus- und Einschaltspulen sowie den Motor zum Spannen der Federn speisen. Kritische Parameter wie die Aus- und Einschaltzeiten und -geschwindigkeiten werden analysiert, um sicherzustellen, dass der Schalter innerhalb der Designvorgaben arbeitet. Jedem ermittelten Parameter wird ein eindeutiger Zustandsindex zugordnet. Das System des VD4 Evo übersetzt diese Informationen in nutzerfreundliche Visualisierungen, die auf der HMI angezeigt werden. Im Falle einer Anomalie kann das Wartungs- oder Bedienpersonal einfach über das Dashboard auf detaillierte Informationen zugreifen, um die mögliche Ursache zu bestimmen oder geeignete Maßnahmen zu ergreifen. Zudem kann über den ABB-Support ein Experte kontaktiert werden. Bei anhaltenden Fehlern kann die Gerätedatenbank heruntergeladen und über den Service weitere Unterstützung angefordert werden.
