Digitales Stromnetz Edge-Gateways steuern intelligente Stromnetze

Dezentrale Erzeuger, Batteriespeicher, Wärmepumpen und Elektrofahrzeuge machen Stromnetze zunehmend dynamisch. Edge-Gateways verarbeiten Daten direkt vor Ort und ermöglichen so schnelle, sichere und weitgehend unabhängige Steuerungsprozesse.

Die zunehmende Dezentralisierung der Energieversorgung stellt neue Anforderungen an die Digitalisierung der Stromnetze. Intelligente Edge-Gateways übernehmen dabei eine Schlüsselfunktion: Sie verarbeiten Informationen direkt vor Ort, verbinden unterschiedliche Kommunikationswelten und ermöglichen schnelle, sichere Steuerungsprozesse. Der Beitrag zeigt, welche Rolle Edge Computing, Linux und Containerisierung in Smart Grids spielen.

Die Energiewende verändert die Architektur der Stromversorgung grundlegend. Während Energie früher überwiegend von wenigen zentralen Kraftwerken in eine Richtung zum Verbraucher floss, speisen heute zahlreiche dezentrale Erzeugungsanlagen wie Photovoltaik-, Windkraft- oder Blockheizkraftwerke Strom in das Netz ein. Gleichzeitig entstehen mit Elektrofahrzeugen, Wärmepumpen und Batteriespeichern neue, dynamische Verbraucher und Speicher, deren Leistungsaufnahme zeitlich stark schwankt.

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Diese Entwicklung stellt Verteilnetzbetreiber vor neue technische Herausforderungen. Netzzustände müssen kontinuierlich erfasst und Lastflüsse analysiert werden, damit Regelmaßnahmen innerhalb kurzer Zeit umgesetzt werden können. Dafür genügt eine reine Datenerfassung mit anschließender Cloud-Auswertung häufig nicht mehr. Vielmehr gewinnen dezentrale Edge-Computing-Konzepte an Bedeutung, bei denen Daten direkt an der Anlage verarbeitet werden.

Der Weg vom passiven Verteilnetz zum intelligent gesteuerten Stromnetz

Ein Smart Grid benötigt Informationen über den aktuellen Zustand von Ortsnetzstationen, Trafostationen, Ladeinfrastrukturen oder dezentralen Erzeugern nahezu in Echtzeit. Aus diesen Daten lassen sich Lastspitzen erkennen, drohende Netzengpässe frühzeitig identifizieren oder Regelmaßnahmen automatisiert auslösen. Die Herausforderung besteht dabei nicht allein in der Kommunikation. Vor Ort müssen unterschiedlichste Sensoren, Steuerungen und Kommunikationsprotokolle miteinander verbunden werden. Gleichzeitig dürfen Reaktionszeiten nicht von einer permanent verfügbaren Cloud-Verbindung abhängen. Hier kommen Industrie-Gateways als Edge-Systeme zum Einsatz. Sie übernehmen die Kommunikation zwischen Feldgeräten und Leitsystemen, erfassen Sensordaten, bereiten diese auf und führen bei Bedarf lokale Steuerungsfunktionen aus.

Warum Edge Computing im Smart Grid an Bedeutung gewinnt

In zentral ausgerichteten IoT-Architekturen werden Messdaten häufig zur weiteren Verarbeitung an zentrale Cloud- oder Rechenzentrumssysteme übertragen. Für Anwendungen in Smart Grids ist dieses Konzept jedoch nur eingeschränkt geeignet. Große Datenmengen erhöhen den Kommunikationsbedarf; gleichzeitig können Netzunterbrechungen oder Latenzen dazu führen, dass zeitkritische Anwendungen nicht zuverlässig funktionieren.

Edge Computing verlagert deshalb einen Teil der Datenverarbeitung direkt an den Ort der Datenerfassung. Dort lassen sich beispielsweise Messwerte filtern, aggregieren oder bereits lokal auswerten. Nur die tatsächlich relevanten Informationen werden anschließend an übergeordnete Systeme übertragen.

Diese Architektur bietet mehrere Vorteile:

• geringeres Datenvolumen bei der Cloud-Anbindung,

• kürzere Reaktionszeiten,

• höhere Verfügbarkeit auch bei unterbrochener Internetverbindung,

• lokale Automatisierung zeitkritischer Prozesse sowie

• bessere Skalierbarkeit großer Anlagen mit vielen tausend Messpunkten.

Gerade in Ortsnetzstationen oder Ladeinfrastrukturen ermöglicht diese lokale Intelligenz schnelle Regelentscheidungen, ohne dass zunächst ein zentrales Rechenzentrum eingebunden werden muss.

Offene Linux-Plattformen erleichtern den langfristigen Betrieb

Neben der Rechenleistung spielt die Softwarearchitektur eine entscheidende Rolle. Energieanlagen werden über Zeiträume von 20 Jahren oder länger betrieben. Entsprechend wichtig sind langfristige Wartbarkeit, Sicherheitsupdates und die Möglichkeit, neue Funktionen nachzurüsten. Linux-basierte Gateway-Systeme ermöglichen einen einsehbaren Software-Stack und den Einsatz zahlreicher Open-Source-Komponenten. Regelmäßige Sicherheitsupdates und eine langfristige Pflege müssen jedoch durch den jeweiligen Plattformanbieter gewährleistet werden. Offene Linux-basierte Plattformen können die Abhängigkeit von proprietären Softwarearchitekturen reduzieren und erleichtern die Integration bestehender Softwarelösungen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Betreiber eigene Anwendungen entwickeln oder vorhandene Software verschiedener Hersteller auf einer gemeinsamen Plattform betreiben können.

Containerisierung vereinfacht Softwareintegration und Wartung

Mit zunehmender Digitalisierung wächst auch die Anzahl unterschiedlicher Anwendungen auf einem Gateway. Neben Kommunikationsdiensten laufen häufig Analysefunktionen, Protokollkonverter, Sicherheitsdienste oder kundenspezifische Steuerungssoftware parallel. Um diese Anwendungen sauber voneinander zu trennen, kommen zunehmend Container-Technologien wie Docker zum Einsatz. Dabei wird jede Anwendung in einer eigenen, gekapselten Laufzeitumgebung betrieben.

Für Betreiber ergeben sich daraus folgende Vorteile:

• Anwendungen lassen sich weitgehend unabhängig vom zugrunde liegenden Gateway-System paketieren, bereitstellen und aktualisieren.

• Anwendungen werden voneinander isoliert betrieben.

• Abhängigkeiten zwischen unterschiedlichen Softwaremodulen lassen sich deutlich reduzieren.

Gleichzeitig können Softwareanbieter ihre Anwendungen als definierte Container-Images bereitstellen, ohne die Entwicklungs- und Laufzeitumgebung auf dem Gateway individuell nachbilden zu müssen. Container können Bereitstellung und Wartung vereinfachen, erfordern jedoch ein kontrolliertes Image-, Update- und Schwachstellenmanagement.

Warum Cybersecurity zur Grundvoraussetzung wird

Mit der zunehmenden Vernetzung steigen gleichzeitig die Anforderungen an die IT-Sicherheit. Gateways bilden häufig die Schnittstelle zwischen lokaler Automatisierungstechnik und übergeordneten IT-Systemen und müssen daher hohen Sicherheitsanforderungen genügen. Hierzu gehören unter anderem verschlüsselte Kommunikationsprotokolle, VPN-Technologien, regelmäßige Sicherheitsupdates sowie sichere Mechanismen für Authentifizierung und Fernwartung. Ebenso wichtig ist eine robuste Kommunikationsarchitektur, die auch bei Mobilfunkunterbrechungen oder temporären Netzstörungen einen automatischen Wiederaufbau der Verbindung ermöglicht.

Neben der Absicherung der Kommunikation spielt auch die Härtung des Gateway-Systems selbst eine zentrale Rolle. Langfristige Sicherheit erfordert darüber hinaus ein professionelles Device Management, über das Sicherheitsupdates und Softwareversionen kontrolliert auf verteilte Geräte ausgerollt werden können.

Praxisbeispiel: Umsetzung in einer Gateway-Plattform

Ein Beispiel für die technische Umsetzung dieser Architekturprinzipien ist eine Gateway-Plattform von IoTmaxx. Die Linux-basierten Industrie-Gateways kombinieren lokale Rechenleistung mit umfangreichen Kommunikationsschnittstellen und unterstützen sowohl Ethernet als auch 4G-LTE-Mobilfunk für die Anbindung an zentrale Systeme. Für den Datenaustausch unterstützt die Plattform unter anderem MQTT und HTTPS. VPN-Verbindungen können über WireGuard, OpenVPN oder IPsec eingerichtet werden. Nach Angaben des Herstellers überwachen die Geräte ihre Kommunikationsverbindungen und können sie nach einer Unterbrechung automatisch wiederherstellen.

Die Plattform unterstützt Docker-basierte Anwendungen und ermöglicht dadurch den parallelen Betrieb verschiedener Softwaremodule auf einem Gateway. Für die Anbindung von Sensoren und Feldgeräten stehen Schnittstellen wie Ethernet, USB, RS-232, RS-485, CAN und 1-Wire sowie digitale und analoge Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Die Schnittstellenausstattung ermöglicht die Anbindung verschiedener Sensoren, Feldgeräte und Steuerungskomponenten. Welche Geräte tatsächlich integriert werden können, hängt von den verwendeten Protokollen und Treibern ab. Je nach Ausführung können zusätzlich Sensoren für Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration oder Schaltzustände direkt angebunden werden. Als mögliche Einsatzfelder nennt der Hersteller Ortsnetzstationen, Ladeinfrastrukturen und dezentrale Energieerzeugungsanlagen.

Edge-Gateways werden zur Schaltzentrale im Stromnetz

Die Digitalisierung der Energieverteilung erfordert deutlich mehr als eine reine Vernetzung von Anlagen. Gefragt sind dezentrale Systemarchitekturen, die Daten lokal verarbeiten, unterschiedliche Kommunikationswelten miteinander verbinden und gleichzeitig hohe Anforderungen an Verfügbarkeit und IT-Sicherheit erfüllen. Edge Computing, Linux-basierte Plattformen und containerisierte Software entwickeln sich dabei zu zentralen Bausteinen moderner Smart Grids.

Programmierbare Industrie-Gateways übernehmen in diesem Umfeld die Funktion einer intelligenten Edge-Plattform, die Kommunikation, Datenverarbeitung und Automatisierung unmittelbar an der Anlage zusammenführt. Damit bilden sie die Schnittstelle zwischen der Feldebene und übergeordneten Leit- und Energiemanagementsystemen. (mr)

* Christian Lelonek ist Geschäftsführer bei IoTmaxx GmbH.

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