Die Migration moderner Stationsleittechnik

Die Zunahmen im Flugaufkommen in den vergangenen Jahren spiegelten sich in veränderten Anforderungen an die Versorgungssysteme wider, und so erfolgte seit 1990 unter der Leitung des Fachgruppenleiters Elektrotechnik Herrn Michael Kunze, der systematische Ausbau der Energieverteilungssysteme. Der Flughafen Dresden (FHD) wird in einer langjährigen Partnerschaft planerisch sowie während der notwendigen Objektüberwachungen durch Ebert-Ingenieure unterstützt und 2007 konnten im Rahmen der Sanierung der Start- und Landebahn folgende Teil-Projekte gemeinsam erfolgreich abgeschlossen werden:

Anpassung der Mittelspannungsversorgung,

Aufbau redundanter USV-Anlagen für flughafentechnische Anlagen,

Neugestaltung der fernmeldetechnischen Infrastruktur,

Technisches Controlling während der Bauausführung für die Befeuerungsanlagen,

Rollwegsensorik und Glatteisfrühwarnsysteme.

Die letzte größere strukturelle Änderung am Energieversorgungssystem hatte mit der Errichtung zweier Trafostationen während des Terminal-Neubaus im Jahr 2000 statt gefunden. Mit insgesamt sieben Trafostationen wird das Gelände des Flughafens Dresden über einen allgemeinen sowie über einen Sicherheits-Stromversorgungsring mittelspannungsseitig versorgt. Die externe Einspeisung aus dem Netz des örtlichen Versorgungsunternehmens DREWAG wird über zwei unabhängige Mittelspannungseinspeisungen sichergestellt. Bei einseitigem Spannungsausfall erfolgt die Umschaltung der Einspeisung automatisch über eine elektronische Umschalteinheit (USAP).

Bedingt durch diesen gestaffelten Systemausbau fanden sich innerhalb des Gesamtsystems Komponenten in unterschiedlichen Phasen ihrer Produktlebenszyklen wieder. Die vorhandene Stationsleittechnik der Stromversorgungsanlagen der Stationen 1, 2, 3 und der Zentralstation des FHD waren 1993 installiert worden. Dieses Industrierechner-basierte Bestandsleitsystem verzeichnete bereits die ersten Hardwareausfälle, denn das System hatte seine Lebens- und Wartungsdauer in den Stationen 1, 2, 3 und der Zentralstation erreicht. Auf Grund der nutzungsspezifischen Anforderungen, die sich aus dem Flughafenbetrieb ergaben, wurden gleichzeitig an die Systeme der Energieversorgung und -verteilung erhöhte Anforderungen hinsichtlich Verfügbarkeit und Versorgungssicherheit gestellt. Diese mussten dementsprechend ebenfalls von den Systemen der Stationsleittechnik erfüllt werden. Diese Anlagen steuerten und überwachten jede einzelne Station der Stromversorgung für die Energieversorgung des FHD im 24 h-Betrieb. Durch die Teilausfälle des nichtredundanten Bestandssystems war der Zugriff aus der Warte der Zentralstation auf die Schaltanlagen der einzelnen Stationen nicht mehr gewährleistet, sowie die Überwachungs- und Störungssignalisierung aus den Schaltanlagen unterbrochen. Eine gesicherte Informationsübertragung über den Zustand der Energieversorgung des Flughafens, insbesondere Meldungen über Störungen oder über Netzausfälle und Informationen über die Betriebszustände der Anlagen war zeitweise nicht garantiert. Resultierend aus der geschilderten Situation war der sichere Betrieb der Stromversorgungsanlagen als Voraussetzung für die Aufrechterhaltung der Sicherheitsstromversorgung des Terminals und der relevanten befeuerungstechnischen Anlagen entsprechend der Verpflichtung § 45 Luftverkehrs-Zulassungs-Ordnung LuftVZO (1) gefährdet. Über die Stationsleittechnik wurden unter anderem Meldungen über den Betriebszustand der USV-Anlagen und der Netzersatzanlagen dem Betriebsüberwachungssystem der Befeuerung bereitgestellt. Beim Ausfall der Stationsleittechnik und der damit verbundenen Unterbrechung der Meldelinie über den Betriebszustand der USV-Anlagen bzw. Netzersatzanlagen wäre eine Rückstufung von CAT II/III auf CAT I (Infokasten 1) die Folge gewesen. Verbunden damit wären Einschränkungen innerhalb des Flughafenbetriebes gewesen, da die Voraussetzungen für einen Allwetterflugbetrieb mit Präzisionsanflughilfen nicht mehr erfüllt worden wären.

Projektvorbereitung

Unter Berücksichtigung der genannten Randbedingungen erfolgte im Rahmen einer Machbarkeitsstudie durch die Ebert-Ingenieure eine Untersuchung bezüglich möglicher Szenarien für die erforderlichen Ersatzinvestitionen.

Insbesondere bei Umrüstungen oder Erneuerungen leiten sich aus diesen Rahmenbedingungen spezielle Aspekte ab, die es bei der Realisierung derartiger Leistungen zu beachten gilt, wie beispielsweise

gleich bleibende Versorgungssicherheit

Sicherstellung der Gesamtverfügbarkeit der Systeme

Zeitlich minimierte Unterbrechungen im System.

Wirtschaftliche Aspekte wie eine langfristige Investitionssicherheit spielten bei der Definition der auszuführenden Maßnahmen eine wesentliche Rolle. Zur Gewährleistung der Investitionssicherheit innerhalb von Schaltanlagen waren die unterschiedlichen Nutzungszeiträume innerhalb der Anlagen zu berücksichtigen. Für die Primärtechnik von Schaltanlagen kann von einer mittleren Nutzungsdauer von ca. 50 Jahren ausgegangen werden. Dem gegenüber stehen Komponenten der Stationsleittechnik mit einer mittleren Zeit bis zum Ausfall von ca. zehn Jahren [1]. Es musste also davon ausgegangen werden, dass im Laufe der Anlagennutzung mehrfach Teile der Stationsleittechnik ausgetauscht werden müssen. Dies ist unter der Annahme, dass die Bestandsgeräte auf Grund der fortlaufenden technischen Entwicklung durch Geräte der jeweils aktuellen Generation ausgetauscht werden, oftmals mit erhöhten Aufwendungen im Engineering und bei den erforderlichen Inbetriebnahmetests verbunden. Begründet wird dieser Sachverhalt durch die nicht 100 %ige Abwärts-Kompatibilität der Neu-Geräte zu den Bestandsgeräten selbst bei Geräten eines Herstellers. Dabei können die vorhandenen Datenbestände nicht 1 : 1 übernommen werden. Aktuelle Statistiken zeigen, dass die genannten zeitabhängigen Kosten einen Anteil von etwa 60 Prozent des Gesamtinvestitionsvolumens bei derartigen Maßnahmen ausmachen [2]. Sie bieten bei Projekten dieser Größenordnung einen Ansatzpunkt für ein großes Optimierungspotential.

Auf Basis des Ergebnisses der durchgeführten Machbarkeitsstudie wurde beschlossen, eine stufenweise Migration der bestehenden Stationsleittechnik mit Einführung der IEC 61850 als Kommunikationsstandard durchzuführen.

Projektplanung

In Vorbereitung der Realisierung dieser Leistungen wurden ein Lastenheft sowie zugehörige Planunterlagen erstellt. Diese dienten als Basis der Angebotserstellung durch den Errichter der Anlage. Mit der Festlegung auf eine Migrationsstrategie konnte sichergestellt werden, dass die vorhandenen Datenbestände fast vollständig weitergeführt werden können. Vorhandene Funktionen, die sich im Laufe der letzten Jahre bewährt hatten, konnten mit geringfügigen Anpassungen übernommen werden. Damit umging man ein umfangreiches Re-Engineering auch planerseitig.

Mit der Entscheidung für die IEC 61 850 (Infokasten 2) wurden die Weichen für eine nachhaltige Erneuerung gestellt. Über die IEC 61 850 wird nicht nur die Kommunikation zwischen den Geräten standardisiert ermöglicht, sondern es werden gleichzeitig Systembeschreibungen für Projektierungstools definiert. Damit ist langfristig sichergestellt, dass Erneuerungen oder Erweiterungen innerhalb bestehender Anlagen herstellerunabhängig und schrittweise möglich sind. Durch die Trennung von Daten, Funktionen und Kommunikation innerhalb der IEC 61 850 kann das Problem der stark differierenden Lebensdauern innerhalb der Schaltanlagen minimiert werden, da so beim Tausch der Geräte die Übernahme der enthaltenen Funktionenmöglich wird.

Projektumsetzung

Die Gesamtmaßnahme wurde in vier Teil-Projekte gegliedert, wobei die Realisierungszeiträume größtenteils in die Bauphase der neuen Start- und Landebahn fiel. Durch die Aufgliederung in einzelne Bauabschnitte konnten die Beeinträchtigungen durch die Baumaßnahme bereits eingeschränkt werden. Als letzte Station wurde die Zentralstation im Mai 2008 fertig gestellt. Der Ablauf innerhalb der Stationen war vom Grundsatz her nahezu identisch. Nach Freigabe der Montageplanung, die in diesem Vorhaben in Form eines Pflichtenheftes zur Vorlage kam, erfolgte die Installation der Kabel- und Leitungsanlagen für die stationsinterne Kommunikation. Für die externe Anbindung an die bereits 2003 erneuerte Netzleittechnik wurde die vorhandene Infrastruktur genutzt. Sowohl die stationsinterne als auch die externe Kommunikation erfolgt jetzt über ein redundantes TCP/IP-basiertes LWL-Netzwerk, welches als Ringstruktur eine ausfallsichere Kommunikation gewährleistet. Die eingesetzten Ethernet-Switche verfügen über eine integrierte Simple Network Management Protocol (SNMP)-Schnittstelle. Über diese erfolgt, wie auch bei den USV-Anlagen, die Einbindung in die Netzleittechnik mittels SNMP-Gateway um Ausfälle und Störungen innerhalb der Kommunikationssysteme zu erkennen. Im nächsten Schritt wurde die Station-Master-Unit parallel zum bestehenden System in die übergeordnete Netzleittechnik integriert. Anschließend erfolgte ein feldweiser Austausch der Geräte mit Anbindung an die neue Station-Unit. Für diese neuen Feldleitgeräte konnten die Türausschnitte der Bestandsgeräte innerhalb der Schaltanlagen verwendet werden. Damit wurden weitere Anpassungen an der Primärtechnik vermieden. Die ursprüngliche Planung war ein Feld innerhalb eines Tages hardwareseitig umzurüsten und softwareseitig einzubinden.

Gleichzeitig mit der Anbindung eines neuen Feldleitgerätes erfolgte auch die Einbindung in die Netzleittechnik, so dass für den Nutzer kaum Einschränkungen innerhalb der zentralen Anlagenbedienung spürbar waren. Durch den feldweisen Austausch konnten die Einschränkungen in der Versorgungssicherheit minimiert werden. Selbst notwendige Umschaltungen der Einspeisungen konnten ohne Spannungsausfälle im Gesamtsystem durchgeführt werden, da mittels der USAP eine unterbrechungsfreie Umschaltung, d.h. eine kurzzeitige, synchronisierte, zweiseitige Einspeisung durch den Energieversorger möglich ist. Als problematisch erwiesen sich in einigen Feldern die hardwareseitig verdrahteten Verriegelungen des Bestandes. Durch teilweise innerhalb der Revisionsunterlagen nicht nachgeführte Änderungen an den Anlagen waren zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um die Versorgungssicherheit während der Arbeiten nicht zu gefährden. Als letzter Schritt erfolgte die Demontage der Bestands-Stationsleittechnik. Den Abschluss der Gesamtmaßnahme bildete ein Test der grundlegenden, sicherheitsrelevanten Verriegelungsfunktionen sowie der Umschalteinheit (USAP). Auf Grund der dabei auftretenden Spannungsunterbrechungen zur Simulierung der Spannungsausfälle, mussten diese Tests nachts durchgeführt werden. Obwohl im laufenden Flugverkehr für diese Tests nur ein Zeitfenster von 4 h offen stand, konnten die Funktionsnachweise innerhalb von zwei Nächten erbracht werden.

Projektfertigstellung

Mit Abschluss dieses Projektes wurden die Vorgaben für die folgenden, notwendig werdenden Ersatzinvestitionen innerhalb der Stationsleittechnik definiert. Mit Einführung der IEC 61 850 steht dem Flughafen Dresden ein zukunftssicherer Standard zur Verfügung, der unabhängig von herstellerspezifischen Randbedingungen die weiteren Investment-Planungen ermöglicht. Mit den positiven Erfahrungen dieses Projektes können bereits jetzt weitere, langfristig anstehende Maßnahmen konzeptionell geplant werden. Die Erkenntnisse, die während der Planung und Ausführung gesammelt werden konnten, sowie das eigentliche Endergebnis bestätigen die im Vorfeld getätigten Entscheidungen. Die anteiligen Kosten für die Engineering-Aufwendungen betrugen 40 %, gemessen an der Gesamtinvestition und liegen damit unter den durchschnittlichen Kosten vergleichbarer Vorhaben. Unter den gegebenen Bedingungen war die Migrations-Strategie, mit gleichzeitiger Einführung der IEC 61 850, für den Flughafen Dresden die optimale Variante für die Ertüchtigung der Stationsleittechnik. Es kann weiterhin festgestellt werden, dass es während des Realisierungszeitraumes keine Einschränkungen innerhalb des Flugverkehrs gab, die auf eine fehlende elektroseitige Versorgungssicherheit zurückzuführen gewesen wären.

[1] K.-P. Brand, W. Wimmer: Der Standard IEC 61 850 – Offene Kom- munikation in Schaltanlagen im deregulierten Strommarkt. Bulletin SEV/VSE 1/02

[2] L. Andersson, K.-P. Brand, W. Wimmer: The impact of the coming Standard IEC 61 850 on the life-cicle of open communication systems in substations. Distribution and Transmission, Brisbane 2001

[3] Nachrichten für Luftfahrer Teil 1 – 1/99: Richtlinien für den All- wetterflugbetrieb