Hydrometeorologische Messnetze stellen eine zentrale öffentliche Aufgabe für Hochwasserschutz, für die Wasserwirtschaft und damit für die Klimaanpassung dar. Für Messnetzbetreiber wie dem Land NRW zeigen sich die Herausforderungen jedoch vor allem im Alltag: unterschiedliche Stationstypen, variierende Energieversorgung und heterogene Kommunikation verursachen einen hohen Wartungsaufwand, verlängern Ausfallzeiten und erhöhen insgesamt den Aufwand für einen sicheren Betrieb – insbesondere bei kritischen Ereignissen. Im Projekt DMeStHyA übernahm HST die Aufgabe, um mit wissenschaftlicher Unterstützung der Hochschule Hof diese gewachsene Heterogenität technisch zu vereinheitlichen und eine zukunftssichere Grundlage für den dauerhaften Messnetzbetrieb zu schaffen.
Das Landesamt für Natur, Umwelt und Klima Nordrhein-Westfalen (LANUK NRW) betreibt ein landesweites hydrometeorologisches Messnetz mit mehreren hundert Messstellen. Diese sind über viele Jahre hinweg schrittweise entstanden und entsprechend technisch unterschiedlich ausgeführt. Verschiedene Schaltschranklösungen, variierende Energieversorgungskonzepte sowie uneinheitliche Kommunikationswege führten im Betrieb zu erhöhtem Wartungsaufwand, längeren Reaktionszeiten bei Störungen und einer aufwendigen Dokumentation. Vor diesem Hintergrund wurde ab 2021 das vom Land NRW finanzierte Projekt DMeStHyA gestartet. Ziel war es, die technische Basis des Messnetzes zukunftsfähig zu modernisieren und zu standardisieren, damit Betrieb, Wartung und zukünftige Erweiterungen dauerhaft effizient und effektiv umgesetzt werden können.
Standardisierte Messstellen als technisches Fundament
Kern der Umsetzung durch HST war die Entwicklung eines einheitlichen und modular aufgebauten Schaltschrankkonzepts für alle Messstellen im Feld, das als zukünftiger technischer Standard für landeseigene Messstationen definiert wurde. Der Standard beschreibt nicht nur die äußere Bauform, sondern insbesondere den inneren technischen Aufbau der Schaltschränke mit festgelegten Funktionsgruppen für Messwerterfassung, Energieversorgung, Steuerung und Kommunikation. Dadurch ist jede Messstelle unabhängig vom Standort nach demselben technischen Prinzip aufgebaut. Der entwickelte Standard soll perspektivisch auch den Kommunen in Nordrhein-Westfalen als Referenz für den Aufbau eigener Messstationen dienen.
Messwerterfassung, Energieversorgung sowie Steuerungs- und Kommunikationstechnik wurden in einer gemeinsamen, vorgeplanten Schaltanlage zusammengeführt. Die einheitliche Innenarchitektur mit klar definierten Schnittstellen, beschrifteten Funktionsbereichen und standardisierten Komponenten reduziert die Komplexität im Aufbau und minimiert potenzielle Fehlerquellen. Für den Betrieb bedeutet dies, dass Inbetriebnahmen nach einem einheitlichen Schema erfolgen und Wartungsarbeiten unabhängig vom jeweiligen Standort nach identischen Abläufen durchgeführt werden können. Bestehende Messstellen konnten schrittweise umgerüstet werden, während neue Standorte von Beginn an konsequent nach diesem Standard aufgebaut wurden.
Ein zentraler Aspekt der von HST entwickelten Lösung ist die flexible Energieversorgung der Messstellen. Der technische Standard sieht hierfür sowohl den Anschluss an das öffentliche Stromnetz als auch den autarken Betrieb über Solarmodule mit Batteriespeichern vor. Die erforderlichen Komponenten für Laderegelung, Energiespeicherung und Überwachung sind dabei fest in den Schaltschrank integriert. Abhängig von den Standortbedingungen wird das jeweilige Versorgungskonzept umgesetzt, ohne dass sich der grundsätzliche Aufbau der Messstelle ändert. Dadurch kann auch an abgelegenen Standorten ein stabiler Betrieb mit definierter Energieautonomie sichergestellt werden.
Ergänzend dazu realisierte HST ein standardisiertes Kommunikationskonzept mit redundanten Übertragungswegen. Die hierfür eingesetzten Kommunikationsmodule sind ebenfalls fest in den Schaltschränken integriert und ermöglichen die Übertragung von Mess- und Statusdaten in kurzen Zeitintervallen. Durch die einheitliche Auslegung der Kommunikationsschnittstellen lassen sich alle Messstellen zentral überwachen und bei Bedarf aus der Ferne diagnostizieren. Diese technische Standardisierung bildet die Grundlage für eine durchgängige Fernüberwachung und -wartung und unterstützt einen dauerhaft beherrschbaren Messnetzbetrieb.
Digitale Betriebsführung im Arbeitsalltag
Mit der Einführung einer einheitlichen digitalen Betriebsführung änderte sich der Arbeitsalltag im Messnetzbetrieb deutlich. Durch die zentrale Visualisierung aller Messstellen in SCADA.web erhalten die Mitarbeitenden erstmals einen einheitlichen Überblick über Betriebszustände, Kommunikationsstatus und Störungen im gesamten Messnetz. Auffälligkeiten lassen sich gezielt einzelnen Stationen zuordnen und vor einem Vor-Ort-Einsatz fachlich vorbereiten.
Ergänzend dazu wird die Wartung und Instandhaltung der Messstellen mit dem Betriebsführungssystem KANiO vollständig digital abgebildet. Prüf- und Wartungsarbeiten werden vor Ort mobil dokumentiert, automatisch protokolliert und zentral verfügbar gemacht. Medienbrüche durch papierbasierte Abläufe entfallen, und Informationen zu vergangenen Arbeiten oder bekannten Besonderheiten einer Station stehen unmittelbar zur Verfügung.
Die Kombination aus standardisierter Feldtechnik und digitaler Betriebsführung ermöglicht damit ein strukturierteres Vorgehen im täglichen Betrieb. Einsätze lassen sich besser planen, Störungen schneller eingrenzen und Maßnahmen nachvollziehbar dokumentieren. Die Systeme unterstützen den Betrieb nicht isoliert, sondern bauen konsequent auf der zuvor geschaffenen technischen Einheitlichkeit der Messstellen auf.
| Projektpartner | Neben dem LANUK NRW als Betreiber des Messnetzes waren die Hochschule Hof sowie weitere Projektbeteiligte in das Vorhaben eingebunden. Die Zusammenarbeit von Betreiber, Systemtechnik und Forschung ermöglichte es, die technische Modernisierung praxisnah umzusetzen und gleichzeitig die Grundlage für zukünftige Weiterentwicklungen des Messnetzes zu schaffen. |
| Autoren |
Prof. Günter Müller-Czygan, Institutsleiter, Forschungsgruppenleitung Wasserinfrastruktur und Digitalisierung am Institut für nachhaltige Wassersysteme der Hochschule Hof |
