Der neue ABB-Leistungsschalter VD4 evo →01 basiert auf dem erfolgreichen VD4 und kombiniert Fortschritte auf dem Gebiet der digitalen und grünen Technologien, um ein Höchstmaß an Sicherheit und Schutz zu bieten. Intelligente Algorithmen ermöglichen eine zustandsabhängige und vorausschauende Wartung für eine maximale Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer. Die notwendige Sicherheit, Konnektivität und Cybersicherheit sind ebenfalls gewährleistet.
Claudio Cenci, Andrea Delpozzo, Luca Marcolongo, Stefano Premarini, Marco Riva, Marco Testa, Lorenzo Verniani ABB Electrification, Dalmine, Italy, claudio.cenci@it.abb.com, andrea.delpozzo@it.abb.com, luca.marcolongo@it.abb.com, stefano.premarini@it.abb.com, marco.riva@it.abb.com, marco.testa@it.abb.com, lorenzo.verniani@it.abb.com
Mit der Entwicklung intelligenter Stromnetze (Smart Grids), die sich durch einen bidirektionalen Energie- und Kommunikationsfluss auszeichnen, verändert sich auch die Rolle von Mittelspannungs-Leistungsschaltern. So werden diese Geräte nicht mehr nur zum Schutz eingesetzt, sondern sind als proaktive Apparate in der Lage, mit den wichtigsten Instanzen im elektrischen Netz zu interagieren und den Netzbetrieb zu koordinieren. Die zunehmend drängende Forderung von öffentlichen Versorgungsunternehmen und der Privatwirtschaft nach einer höheren Betriebskontinuität und einer besseren Versorgungsqualität führt zu weiteren Anforderungen wie die Möglichkeit zur Steuerung der Energieflüsse von erneuerbaren Energiequellen mit variablem Input (zum Beispiel von dezentralen Energieressourcen), die Bereitstellung von zusätzlichen Speichern und die Elektrifizierung des Transportwesens →02.
Solche grundlegenden Veränderungen in der Stromerzeugung und -verteilung führen wiederum zur Entwicklung fortschrittlicher Komponenten zur Steuerung und zum Schutz des Netzes, zur verstärkten Nutzung von elektronischen Sensorsystemen für die Datenerfassung und zur Anwendung fortschrittlicher Analysen. Die Kombination solcher Innovationen könnte dabei helfen, das Stromnetz intelligenter, robuster, zuverlässiger und – energetisch und wartungstechnisch – effizienter zu gestalten und gleichzeitig die Sicherheit und den Schutz zu verbessern.
Angesichts der Möglichkeiten, die sich daraus ergeben, hat ABB ihren konventionellen, aber äußerst erfolgreichen Leistungsschalter vom Typ VD4 überarbeitet. Der mehr als zwei Millionen Mal installierte Innenraum-Vakuumleistungsschalter mit mechanischem Antrieb (Federmechanismus) ist für die Primärverteilung bis 46 kV, 4.000 A und 63 kA vorgesehen. Die Frage, die sich ABB stellte, war, ob man mit dem VD4 Kunden nicht nur ein Höchstmaß an Sicherheit und Schutz, sondern auch die Vorteile neuer digitaler und grüner Technologien bieten könnte. Die Antwort ist der zukunftsweisende VD4 evo, ein intelligentes Schutzsystem, das auf dem Erfolg des VD4 aufbaut, um eine noch sicherere, konnektivere und cybersichere Lösung bereitzustellen, die auch noch nachhaltig ist.
Diagnose und Schutz
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 [1,2].
Der VD4 evo steigert die Effizienz 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 [3]. 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 (z. B. Wegkurve und Vibrationen), elektrischer Parameter (z. B. Strom, Spannung) 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) des VD4 evo bildet.
CMU und Maxwell-Plattform
Die CMU des VD4 evo 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 →03:
• Einem System-on-Module (CPUM), in dem das Betriebssystem (Linux Embedded OS) sowie anwendungsspezifische Analysen und Bedienoberflächen entwickelt werden.
• Einem Carrier Board für die jeweiligen anwendungsspezifischen Hardwareschnittstellen, zum Beispiel für das Energiemanagement, die vorgelagerte/nachgelagerte Kommunikation (z. B. seriell und drahtlos) sowie E/A-Funktionen →03a.
03a Schematische Darstellung der Hard- und Software mit den jeweiligen Schnittstellen. 
03b Die CMU basiert auf der modularen ABB Maxwell-Architektur, die darauf ausgelegt ist, M&D-Funktionen und ABB Ability™ zu unterstützen.
03 Schematische Darstellung der Architektur des VD4 evo und der CMU mit den wichtigsten Interaktionen und Schnittstellen.
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 →03b.
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 →04. 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 [3]: Die CMU ermöglicht sowohl den drahtlosen Zugang zu Informationen per Mobiltelefon oder Tablet über einen QR-Code →05 als auch eine direkte Integration in das SCADA-System. Die Anwendung neuester Cybersicherheitsstandards sorgt dafür, dass die Datenübertragung und -speicherung vollkommen sicher sind.
05a Der QR-Code bietet schellen Zugang zu wichtigen Informationen per Tablet oder Smartphone. 
05b Über den QR-Code stehen die neuesten Kataloge, Betriebsanleitungen und Prüfergebnisse zur Verfügung. Außerdem können Kunden ABB direkt kontaktieren und natürlich auf den Schalter zugreifen.
05 Der VD4 evo verfügt über einen QR-Code an der Vorderseite.
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 [4] und im Prozess von ABB für die Behandlung von Schwachstellen [5] verankert ist, sowie die Überprüfung der Architektur anhand des STRIDE-Modells [6].
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 des VD4 evo
Fehler und Ausfälle lassen sich nur verhindern, wenn die umfangreichen Informationen, die durch Analysen und Expertise zur Verfügung stehen, auf sichere Weise interpretiert und dem Endnutzer vermittelt werden können. Beim VD4 evo dient das Dashboard als Steuercockpit für den Nutzer →06. 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 →06a.
06a Dieses Dashboard zeigt den Zustand des Schalters im Hinblick auf thermische, elektrische und mechanische Parameter. 
06b Beispiel der Aus- und Einschaltzeiten, die dazu genutzt werden, die korrekte Funktion des Schalters sicherzustellen. 
06c Beispiel für die Analysen zur Erkennung kritischer Zustände im Primärstrompfad.
06 Beispiele einiger Dashboards des VD4 evo.
Zur thermischen Überwachung können bis zu 13 Wärmesensoren installiert werden: Sechs Sensoren sind in den Kontaktarmen des Schalters integriert (in der Nähe der Schnittstelle zum Schaltfeld), 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 →06c.
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 →06.
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 →06b.
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.
Nachhaltigkeit und Schutz der Energieverteilung
Im Rahmen ihres Engagements zum Schutz der Umwelt hat sich ABB das Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2030 Klimaneutralität in ihren Betrieben zu erreichen und ihre Kunden aktiv bei der Reduzierung ihrer Treibhausgasemissionen zu unterstützen. Durch die Entwicklung von umweltfreundlichen und nachhaltigen technischen und digitalen Lösungen wie dem VD4 evo unterstreicht ABB ihre Verpflichtung, der Industrie beim Erreichen ihrer Nachhaltigkeitsziele zu helfen.
Dementsprechend wurde die Umweltverträglichkeit des VD4 evo in sämtlichen Phasen der Produktentwicklung berücksichtigt [7]. Die Auswirkungen zusätzlicher elektronischer Komponenten wurden durch Vergleich der Lebenszykluskosten und Umweltauswirkungen traditioneller Geräte und Lösungen mit denen der neuen Generationen bestimmt.
Um die Umweltverträglichkeit des VD4 evo zu beurteilen, wurde eine Lebenszyklusanalyse durchgeführt. Dabei wurden sämtliche Eingänge, Ausgänge und potenziellen Umweltwirkungen in allen Phasen des Produktlebenszyklus von der Fertigung über den Vertrieb, die Installation und Nutzung bis zum Lebensdauerende (End of Life) definiert, zusammengestellt und evaluiert, wobei die Fertigung neben den einzelnen Fertigungs- und Verarbeitungsschritten auch die vorgelagerten Prozesse (z. B. zur Rohstoffbeschaffung) beinhaltet und die Installation alle Vorbereitungen zur Produktnutzung einschließt [7]. Die Produktnutzung umfasst wiederum alle notwendigen Wartungshandlungen und die End-of-Life-Phase sämtliche Schritte bis zur endgültigen Entsorgung bzw. Wiederverwertung.
Die daraus resultierenden Modelle zeigen, dass der zusätzliche Ressourcen- und Energieeinsatz in der ersten Phase der Produktlebensdauer zu einer höheren Umweltbelastung führt, die aber durch eine verbesserte Effizienz in der Nutzungsphase ausgeglichen werden kann [7]. Zudem tragen die hohe Zuverlässigkeit und die Verlängerung der Lebensdauer durch vorausschauende Wartung dazu bei, dass der VD4 evo eine geringstmögliche Umweltauswirkung erreicht.
Aufbauend auf dem Erfolg des VD4 bietet der neue digitale Mittelspannungs-Leistungsschalter VD4 evo von ABB erweiterte Steuerungs- und Diagnosefunktionen sowie ein auf Algorithmen basierendes Vorhersagemodell, das eine Zustandsbeurteilung in Echtzeit ermöglicht. Damit hilft der VD4 evo Kunden dabei, die Anforderungen eines sich entwickelnden intelligenten Stromnetzes nicht nur effizient und zuverlässig, sondern auch nachhaltig und mit einem Höchstmaß an Cybersicherheit zu erfüllen →07.
Weitere Informationen
ABB Produktwebseite: „IEC indoor vacuum circuit breaker VD4“.
ABB Produktwebseite: „VD4 evo. Evolution that empowers“.
ABB Webseite: „ABB Sustainability Strategy 2030“.
Literaturhinweise
[1] M. Riva, et al., “The future evolution of medium voltage circuit-breakers: new developments and possible applications” in Proceedings CIGRE, Paris, France, Aug. 2018, pp. 1 – 10
[2] M. Testa, et al., “Towards Smart Digital Circuit Breakers enabling advanced control and diagnostic features.” Proceedings 25th Intl. Conference on Electricity Distribution, Madrid, Spain, 2019, pp. 1 – 5
[3] M. Scarpellini, et al., “Asset assessment method in a MV predictive model to estimate the asset status”, Proceedings 2018 Petroleum and Chemical Industry Conference Europe, Antwerp, Belgium, 2018, pp. 6 – 11
[4] Microsoft Website, “Security Engineering, Microsoft Security Development Lifecyle, Threat Modeling”, Available: https://www.microsoft.com/en-us/securityengineering/sdl/threatmodeling [Accessed Aug. 9, 2023.]
[5] ABB internal document, “ABB’s approach to software vulnerability handling”.
[6] L. Kohnfelder and P. Garg, “The threats to our products” Microsoft Interface, Microsoft Corporation 33, April 1, 1999.
[7] The Norwegian EPD Foundation, "Environmental Product Declaration VD4/P 12/17.12.40", Sept. 5 2022, Available: https://library.abb.com/d/2RDA044481, [Accessed Nov. 17, 2023.].
Die Abb. 04 – 06 stammen aus einem Video über den VD4 evo. Das komplette Video ist hier zu sehen: https://search.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=9AKK108467A4976&LanguageCode=en&DocumentPartId=&Action=Launch
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