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Spannungsqualität

Die Europäische Norm EN 50160 beschreibt die Hauptmerkmale der Versorgungsspannung am Verknüpfungspunkt des Kunden in öffentlichen Stromversorgungsnetzen. Sie spezifiziert, welche Grenzen die verschiedenen Parameter der Netzspannung unter normalen Betriebsbedingungen einhalten müssen.
Im Wesentlichen müssen folgende Parameter permanent überwacht werden:

  1. Spannungsamplitude
  2. Frequenz
  3. Symmetrie
  4. Flicker
  5. Oberschwingungen

So erlaubt die EN50160 Beispielsweise für Spannungsabweichungen eine Toleranz von +-10% der Nennspannung, die von 99% aller Messwerte innerhalb eines Wochenintervalls eingehalten werden müssen. Für die verbleibenden 1% innerhalb einer Woche ist eine Abweichung von +10 und -15% erlaubt.
Für die Ermittlung der Spannungsabweichung werden 10-Minuten-Mittelwerte herangezogen. Die angegebenen Abweichungen gelten also für langsame Spannungsänderungen.
Für die anderen Parameter wie Frequenz, Gesamtoberschwingungsgehalt, individuelle Oberschwingungen, Rundsteuersignale, Flicker usw. wird ebenso verfahren. Allerdings mit unterschiedlichen Grenzwerten, Perzentilen, Mittelungs- und mitunter auch anderen Beobachtungsintervallen.

Netzstörungen
Infolge von Netzstörungen treten meist schnelle Spannungsänderungen auf, deren Messwerte zweimal je Netzperiode bestimmt werden (rms1/2). Fällt der Messwert in einen Bereich von 1% bis kleiner 90% der Nennspannung, spricht man von einem Spannungseinbruch. Fällt der Messwert aller Phasen unter die 1%-Schwelle, liegt eine Versorgungsunterbrechung vor. Bei Messwerten größer als 110% der Nennspannung spricht man von einer Überspannung.
Netzstörungen werden nach ihrer Dauer und der erreichten Amplitude klassifiziert.

Spannungsqualitätsbericht
Da diese Grenzwerte für Spannungsqualität nur für den ungestörten Betriebsfall gültig sind, müssen Messwerte, die während einer Netzstörung aufgelaufen sind, markiert und aus der statistischen Energiequalitätsbewertung herausgerechnet werden.
Diese Arbeit übernimmt die Expert-Bediensoftware für die EPPE- und SHERLOG-Geräte auf Wunsch automatisch. Sie erstellt vollständig automatisiert normgerechte Spannungsqualitätsberichte von allen Messstellen über definierbare Betrachtungszeiträume.
Der Inhalt der Berichte kann individuell angepasst werden und beinhaltet neben dem normgerechten Spannungsqualitätsnachweis auch Angaben zu der Häufigkeit und Dauer von Versorgungsunterbrechungen, Spannungseinbrüchen und -erhöhungen samt Klassifizierung nach UNIPEDE, CBEMA, ITIC und SEMI F47.
Auch enthalten sein können Signalverläufe und Statistiken zu Strom, Wirk-, Bild- und Scheinleistung sowie zum Leistungsfaktor in den Bericht aufgenommen werden.
Die fertigen Berichte können ebenfalls automatisiert als PDF- oder DOCX- Datei zur späteren Verwendung abgelegt, an Netzwerkdrucker und an E-Mail-Adressen versendet werden.

Redispatch 2.0

Stromnetzbetreiber sind nach dem Energiewirtschaftsgesetz verpflichtet, für die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Elektrizitätsversorgung in ihrem Netz zu sorgen.

Redispatch bezeichnet die Eingriffe in die Erzeugungsleistung von Kraftwerken, um Leitungsabschnitte des Stromnetzes vor Überlastung zu schützen und Engpässe zu vermeiden. Droht eine Überlastung, werden bestimmte Kraftwerke angewiesen, ihre Einspeiseleistung zu drosseln. Zeitgleich müssen andere Kraftwerke ihre Einspeiseleistung erhöhen. Diese bilanziell neutrale Regelung erzeugt einen Lastfluss, der dem Engpass entgegen wirkt.

Durch den stetigen Zuwachs erneuerbarer Energien, deren Einspeiseleistung maßgeblich auch vom Wetter bestimmt wird und im Tagesverlauf starken Schwankungen unterliegt, müssen Netzbetreiber immer häufiger Redispatch-Maßnahmen durchführen. 

Bisher wurde der Redispatch nur mit konventionellen Großkraftwerken ab 10 MW durchgeführt.

Mit dem neuen Redispatch 2.0 werden zudem alle Erzeugungsanlagen ab einer Erzeugungsleistung von 100 kW sowie kleinere Anlagen, die bereits heute durch den Netzbetreiber fernsteuerbar sind, in diesen Regelungsprozess verpflichtend einbezogen. Dazu gehören auch viele dezentrale KWK, Wind- und Photovoltaikanlagen Anlagen. 

Ziel ist es, verstärkt noch genauere Prognosedaten für eine vorausschauende Netzregelung einzusetzen, um die Netzstabilität sicherzustellen und Engpässe zu vermeiden. Zudem liegen dezentrale EEG-Anlagen häufig näher an dem aufzulösenden Engpass und können somit zielgerichteter eingesetzt werden. Das reduziert die notwendigen Regelleistungen von Großkraftwerken und hilft, die Kosten im Gesamtsystem zu senken.   

Mit dem Inkrafttreten des Redispatch 2.0 zum 01.10.2021 sind Betreiber von betroffenen Erzeugungsanlagen verpflichtet, regelmäßig umfassende Daten an den Netzbetreiber zu liefern. Dazu gehören unter anderem auch die Live-Messdaten der Anlage, mit denen der Netzbetreiber die ihm zur Verfügung stehende Leistungsreserve auf Basis des Leistungsmittelwertes der vergangenen 15 Minuten ermitteln und für den Redispatch heranziehen kann. Diese Daten dienen außerdem zur Ermittlung von möglichen Entschädigungszahlungen.  

Aber nicht nur die Leistungsdaten sind hier von Interesse. Die geltenden technischen Anschlussregeln für Energieerzeugungsanlagen in Mittel- und Hochspannungsnetzen VDE-AR-N 4110 und VDE-AR-N 4120 schreiben zusätzlich die Überwachung der Spannungsqualität nach EN 50160 Klasse A sowie die hochauflösende Erfassung von Netzstörungen vor.

Die Messsysteme der EPPE und SHERLOG Produktlinien erfüllen die gestellten Anforderungen vollständig. Permanente Spannungsqualitätsmessungen, transiente Störfallaufzeichnungen sowie Echtzeit-Messdatenübertragung und -visualisierung werden auf diesen Systemen parallel und unabhängig voneinander ausgeführt.   

Spannungen und Ströme werden mit einer zeitlichen Auflösung von 200 kHz und einer  Messabweichung von maximal 0,05% erfasst. Die resultierenden Daten werden in einem 32 GB fassenden Ringspeicher ausfallsicher gespeichert und per Kabel oder LTE/G5-basierter Netzwerkverbindung übermittelt oder können direkt am Gerät mittels USB-Schnittstelle ausgelesen werden. Die Datenfernübertragung kann sowohl zeit- als auch Ereignisgesteuert erfolgen. Somit kann z.B. schon wenige Sekunden nach einem Störungseintritt automatisiert ein detaillierter Fehlerbericht inklusive der Fehlerart, Fehlerdauer, den aufgetretenen Maximalwerten, der Fehlerimpedanz und dem Fehlerort durch die zugehörige Expert Software erzeugt und z.B. per E-Mail an die Betriebsführung gesendet werden. Spannungsqualitätsberichte können ebenfalls automatisiert erzeugt und als PDF-Bericht abgelegt werden. Echtzeit Messdaten lassen sich z.B. über MODBUS oder IEC 61850 auslesen und über den integrierten Webserver auf allen gängigen Browsern und Plattformen visualisieren.

Das europäische Stromnetz hatte am 08. Januar 2021 mit größeren Problemen zu kämpfen. Eine ganze Region in Osteuropa wurde abgetrennt, teils kam es zu Stromausfällen. Der bei KoCoS in Korbach stationierte Netzanalysator EPPE hat den Verlauf der Frequenzstörung aufgezeichnet. Das zeigt wieder einmal, dass EPPE zuverlässig auch kleinste Veränderungen im Stromnetz erkennt, auch wenn deren Ursache in weiter Ferne liegt.

Das europäische Stromnetz zählt zur kritischen Infrastruktur (KRITIS). Das Österreichische Bundesheer hatte bereits im Januar 2020 gewarnt: „Es ist binnen der nächsten 5 Jahre mit einem europaweiten Blackout zu rechnen!“. Am 8. Januar 2021 gegen 14:05 Uhr kam es zu einer Frequenzabweichung von rund 250 mHz im synchronisierten europäischen Hochspannungs-Stromnetz. In der Folge sei die Region Südosteuropa vom europäischen Verbundnetz getrennt worden.

Eine Kaskade von Ausfällen von Betriebsmitteln wie Stromleitungen und Schaltanlagen in Südosteuropa führte zu massiven Problemen im europäischen Stromnetz. Auslöser des Beinahe-Blackouts in weiten Teilen Europas war demnach eine Umspannanlage im kroatischen Ernestinovo. In dem Umspannwerk sprach laut den ersten Ermittlungen um 14:04 ein Überstromschutz bei einem 400-Kilovolt-Sammelschienenkuppler an, sodass sich dieser automatisch abschaltete. Damit wurden auch zwei Höchstspannungsverbindungen unterbrochen, die Strom vom Balkan in andere Teile Europas führen. Dies betraf in nordwestlicher Richtung die Leitungen nach Žerjavinec (Kroatien) und Pecs (Ungarn). Ergebnis war, dass sich das europäische Stromnetz innerhalb von weniger als 50 Sekunden in zwei Gebiete aufteilte: Den Nordwesten, dem 6,3 GW Erzeugungsleistung fehlte, und den Südosten, in dem ein entsprechender Überschuss bestand.

In manchen Regionen hat es sichtbare Probleme gegeben. Beispielsweise sind Lampen in Haushalten und auf den Straßen aufgeleuchtet oder ausgegangen. Auch elektrische Geräte seien an- und ausgegangen. Der Radiosender RFI România berichtete von Stromausfällen in Teilen Rumäniens. Der Frequenzeinbruch führte bei verschiedenen Infrastrukturbetreibern, wie dem Wiener Flughafen oder auch in Krankenhäusern, zu Folgestörungen, welche die Notstromversorgung auslösten. Am Flughafen Wien kam es zudem zu einem schwerwiegenden Zwischenfall, wo hunderte Hardware-Teile zerstört wurden und ein Schaden von mehreren hunderttausend Euro entstanden ist.

Ungefähr eine Stunde nach der Abtrennung erfolgte eine Resynchronisierung der beiden Netzteile.

Genauer Ablauf der Störung
Um 14:05 Uhr fiel die Frequenz im nordwestlichen Netzteil so zunächst auf 49,74 Hertz (Hz). Nach rund 15 Sekunden stabilisierte sie sich bei 49,84 Hz, was noch innerhalb des zulässigen Bandes für Abweichungen von Plusminus 0,2 Hz liegt. Gleichzeitig sprang die Frequenz im südöstlichen Bereich auf 50,6 Hertz, bevor sie sich bei einem Wert zwischen 50,2 und 50,3 Hz stabilisierte.

Die Abtrennung des Teilnetzes hatte deutliche Auswirkungen auf die Netzfrequenz. So sank die Netzfrequenz um 14:04:55 (CET) innerhalb von 14 Sekunden von ca. 50,027 Hz auf minimal 49,742 Hz. Damit wurde der normale Regelbereich von 50,000 Hz ±200 mHz verlassen. Die erste Stufe des Ablaufplans (Aktivieren von Leistungsreserven) wurde erreicht. Der Wiederanschluss an das Verbundnetz um 15:08 Uhr (CET) hingegen hatte keine Auswirkungen auf die Netzfrequenz.

EPPE CX

Power Quality Analyzer mit universeller Konnektivität

 

Der flächendeckende Einsatz von Netzanalysatoren steigert die Transparenz in unseren Stromnetzen und deckt Gefahren wie auch Sparpotentiale auf.

EPPE CX erfasst und analysiert die Spannungsqualität nach gängigen Normen und erstellt automatisiert die erforderlichen Berichte. Netzfehler oder Störungen werden über den transienten Störschreiber mit hoher Auflösung erfasst.

Parallel zu den Aufgaben der Energiequalitäts- und Störungserfassung lässt sich EPPE CX über standardisierte Schnittstellen und Protokolle z.B. als Datenquelle für Automatisierungslösungen und zur Echtzeit- Visualisierung von Mess- und Prozessdaten einsetzen.

Externe Systeme und Automatisierungslösungen können auf die Mess- und Prozessdaten des EPPE CX über das standardisierte und weit verbreitete MODBUS-TCP-Protokoll zugreifen, welches unter anderen auch zur Grundausstattung der meisten SPS-Systeme gehört.

Darüber hinaus wurde EPPE CX mit einem modernen Webserver ausgestattet, über den die aktuellen Mess- und Prozesswerte per Netzwerk oder Internet in allen gängigen Browsern auf PCs, Smartphones oder Tablets in numerischer und graphischer Form dargestellt werden können. Dabei kann sich jeder Nutzer seine Ansicht mit Hilfe von Widgets leicht nach individuellen Bedürfnissen zusammenstellen.

Der Webserver steht ab der Gerätesoftware-Version 2.06.0000 zur Verfügung.

 

Hier eine kleine Videobeschreibung zur Benutzung des Webservers:

https://cloud.kocos.com/index.php/s/9eEifY5q7jqirNe

 

Bei KoCoS in Korbach wurde ein EPPE CX fest installiert, auf das von überall auf der Welt per Webserver zugegriffen werden kann. Somit besteht z.B. die Möglichkeit, bei Produktvorführungen auf echte Live-Messdaten zugreifen zu können.

Click the link to try it out now:

eppe.kocos.com

Benutzername: Gast

Passwort: 2021

Anteil erneuerbarer Energie nimmt stetig zu

In Deutschland betrug der Anteil erneuerbarer Energien im Jahr 2019 rund 43% des Bruttostromverbrauchs. Insgesamt wurden dazu etwa 242,5 Mrd. kWh Strom aus erneuerbaren Energieträgern erzeugt.  

Ziel ist es, den Anteil bis zum Jahr 2030 auf 65% zu steigern.

Der weltweite schnelle Ausbau erneuerbarer Energiequellen im Stromsektor ist definitiv der richtige Weg. Er generiert aber auch unerwünschte Nebeneffekte. So ist die über Jahrzehnte gewachsene Struktur des Stromnetzes in weiten Teilen nicht für eine dezentrale Energieeinspeisung ausgelegt. Viele Netzabschnitte werden bereits heute an der Grenze der Leistungsfähigkeit betrieben. Je weiter der dezentrale Zubau voranschreitet,  umso anspruchsvoller und aufwändiger wird es, die Energiequalität zu überwachen und sicherzustellen.

 

Faktoren, die den Ausbau von PQ-Messungen forcieren

Der erhöhte Bedarf an PQ-Messstellen ist eine direkte Folge des Zubaus regenerativer Energiequellen und dem damit verbundenen Änderungen an der grundsätzlichen Architektur der Stromversorgungsnetze.

Es findet eine kontinuierliche und zunehmende Änderung von einem zentralisierten Erzeugungsmodell auf ein dezentrales Modell statt, um immer mehr erneuerbare Energiequellen - oft in kleineren Leistungskategorien und in stark verteilter Ausführung-  einbinden zu können.

Dieses neue Modell verändert die Charakteristik und die im System fließenden elektrischen Signaturen grundlegend.  Eine Veränderung, die einen zunehmenden und dringenden Bedarf an genauen Messungen der Spannungsqualität an mehr und mehr Verknüpfungspunkten innerhalb des Verteilungsnetzes schafft. Diese Messungen dienen nicht nur der Erfassung von Qualitätsparametern sondern decken zum Beispiel auch unerwünschte Wechselwirkungen zwischen Netzkomponenten auf, die nicht selten nur unter ganz bestimmten Betriebszuständen auftreten und zu Abschaltungen, instabilen Betriebszuständen oder im zu einer Leistungsminderung führen können.  

Die grundlegenden Änderungen unserer Energieerzeugungs- und -Verteilungssysteme gebieten es, die Überwachung der Spannungsqualität sowie die lückenlose Aufzeichnung aller Netzvorgänge zukünftig noch ernster zu nehmen.

 

Fazit

 

Unsere Messsysteme der EPPE und SHERLOG Produktlinie bieten hierfür eine zuverlässige und robusteste Plattform für den Einsatz in allen Spannungsebenen an.