Power Quality Management in Energieversorgungsunternehmen

Überwachung der Spannungsqualität infra fürth GmbH – ein EVU mit Weitblick

Die Europäische Norm EN 50160 beschreibt die Hauptmerkmale der Versorgungsspannung am Verknüpfungspunkt des Kunden in öffentlichen Niederspannungs- und Mittelspannungsnetzen bei normalen Betriebsbedingungen. Diese Norm beschreibt die Grenzen oder Werte, innerhalb der sich die verschiedenen Parameter der Spannung befinden müssen. Sie beschreibt jedoch nicht die typische Situation eines öffentlichen Netzes. 

Die zunehmende Bedeutung einer sicheren Energieversorgung für die Volkswirtschaft sowie das wachsende Bewusstsein der Kunden um die Wichtigkeit einer hohen Verfügbarkeit und Spannungsqualität waren für infra fürth ausschlaggebend für die Installation eines umfangreichen Spannungsqualitäts-Managementsystems. Es wurde nach einer intelligenten Lösung zur Erfassung und Auswertung von Messdaten für die Spannungsqualität gesucht. Mit Hilfe von Spannungsqualitätsanalysatoren des Typs UMG 511, installiert an den neuralgisch wichtigen Netzpunkten, vernetzt und an die Netzleitzentrale angeschlossen, konnte zusammen mit dem Softwarepaket GridVis® ein vollständiges Spannungsqualitäts-Managementsystem realisiert werden. Analysetätigkeiten, die früher manuell mit hohem zeitlichem Aufwand durchgeführt wurden, wie z. B. Datenaufbereitung für die Bundesnetzagentur, Vergleich der Klirrfaktoren (THD-U) oder die Auslastung verschiedener Netzteile etc., werden heute effizient und weitgehend automatisiert erledigt.

1. Anforderungen an Energieversorgungsunternehmen steigen

Stetig steigende Anforderungen an die Energieversorgungsunternehmen (EVUs) im Hinblick auf die Versorgungsqualität und Versorgungssicherheit der Kunden stehen im Gegensatz zu den Forderungen der Gesellschafter zu mehr Wirtschaftlichkeit und höheren Gewinnmargen. Einerseits wurden in den letzten Jahrzehnten aufgrund der Liberalisierung der Energiemärkte und einer verschärften Wettbewerbssituation die Redundanzen im Netz, d. h. Sicherheitsreserven deutlich zurückgefahren. 

Andererseits sind wir in einem immer größeren Ausmaß abhängig von einer ausfallsicheren Stromversorgung. Dies betrifft alle Bereiche des täglichen Lebens. Die extreme Abhängigkeit von elektrischer Energie wurde in den letzten Jahren mehrfach sehr deutlich. Hier sind beispielhaft die Ausfälle in Hannover im Juli 2011( 600.000 Menschen betroffen und zahlreiche Industrieunternehmen ) und in Münchener Umland ( 3 komplette Landkreise betroffen ) im Mai 2013 zu erwähnen. Für eine sichere Energieversorgung sind neue Wege gefragt. Hier reicht es nicht mehr, nur den Spannungsnennwert und die Stromspitze im letzten Monat zu überwachen. Wichtigster Baustein ist eine höhere Transparenz der Energieversorgungsnetze.

 
infra fürth GmbH
infra fürth GmbH

2. Bedeutung einer sicheren Stromversorgung

Der elektrische Spannung hat verschiedene Merkmale, welche die Qualität des Produktes Strom ausmachen. Diese sind unter den beiden Begriffen Verfügbarkeit und Nutzbarkeit zusammengefasst. Die Nutzbarkeit, soweit keine Spannungsunterbrechungen vorliegen, wird mit der Spannungsqualität beschrieben. Die Spannungsqualität gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere durch die zunehmende Anzahl nichtlinearer Verbraucher, d. h. Verbraucher, die auf der einen Seite Netzrückwirkungen erzeugen und andererseits Verbraucher mit hoher Empfindlichkeit wie z. B. von IT-Geräten. Beispielsweise reagieren elektronische Steuerungen in höchstem Maße sensibel auf Spannungsschwankungen, auch wenn diese sich nur innerhalb eines Bereiches von Millisekunden abspielen. 

Aber auch das gestiegene Bewusstsein sowohl der Energiekunden als auch der Energieversorgungsunternehmen spielt eine Rolle. Die Spannungsqualität ist eine komplexe Thematik und beinhaltet eine ganze Reihe unterschiedlicher Parameter. Diese Thematik nimmt insbesondere unter dem Aspekt der kontinuierlichen und direkten gegenseitigen Beeinflussung zwischen Erzeugung und Verbrauch eine Sonderstellung ein. 

Andere industrielle Produkte werden in der Fabrik erzeugt, einer Qualitätskontrolle unterzogen und anschließend mit einer klar definierten Qualität an den Kunden ausgeliefert. Beim elektrischen Strom hat aber auch die Nutzung durch den Kunden einen unmittelbaren Einfluss, d. h. Rückwirkung auf das Netz und somit das Produkt Strom. Auch andere Stromkunden (Nachbarn) werden von diesen Rückwirkungen beeinflusst. 

Spannungsqualitätsanalysator UMG 511
Spannungsqualitätsanalysator UMG 511

3. infra fürth GmbH ein EVU mit Weitblick

Die infra fürth GmbH, ein EVU mit 3 Umspannwerken und über 450 Trafostationen beliefert mit einem Spitzenbezug von 94 MW ca. 113.500 Menschen mit Energie. Außerdem ist die Stadt Fürth deutschlandweit auf Rang 3 der installierten Photovoltaikanlagen. Sie hat früh erkannt, welche einschneidenden Änderungen auf sie zukommen und hat kundenorientiert reagiert. Bereits 2005 wurde im gesamten Versorgungsgebiet der infra fürth begonnen, die Energieversorgung transparent zu machen.

Zu diesem Zweck wurden bis jetzt 40 Spannungsqualitätsanalysatoren UMG 511 an wesentlichen Netzpunkten installiert. Mit Hilfe der Spannungsqualitätsanalysatoren UMG 511 können Spannungsqualitäts-Analysen gemäß folgender Standards durchgeführt werden: 

  • EN 50160 
  • EN 61000-2-4 
  • Benutzerdefiniert 

UMG 511 Spannungsqualitätsanalysator

Insbesondere an Trafostationen und Abgängen zu großen Industrieunternehmen und kritischen Kunden (z. B. Erzeuger von Netzrückwirkungen oder Firmen mit hohen Anforderungen an besonders gute Spannungsqualität, z. B. bei kontinuierlichen Prozessen) wurden die Netzanalysatoren installiert. 

Leitwarte der infra fürth GmbH
Leitwarte der infra fürth GmbH

Leitwarte der infra fürth GmbH

In der Leitwarte der infra fürth GmbH laufen sämtliche Informationen der UMG 511 zusammen. Die erforderlichen Daten stehen ständig aktualisiert zur Verfügung, Schalthandlungen werden veranlasst um z.B. Überlastungen von Leitungen oder Transformatoren zu vermeiden. In den meisten Fällen können Schäden in Grenzen gehalten werden, wenn das Bedienpersonal zur richtigen Zeit die entsprechenden Informationen zur Verfügung hat und Entscheidungen auf Basis von Fakten treffen kann.

4. Motivationsfaktoren der infra fürth für ein Spannungsqualitäts-Managementsystem

Spannungsqualitäts-Managementsystem
Spannungsqualitäts-Managementsystem

War die ursprüngliche Motivation von infra fürth ausschließlich die Nachweispflicht im Rahmen des Energiewirtschaftsgesetzes über die Versorgungszuverlässigkeit und Spannungsqualität gemäß der Norm EN 50160, sieht man mehr und mehr auch die Vorteile eines transparenten Netzes in seiner ganzen Breite:

  • Transparenz für EVU Netz
  • Nachweispflicht gem. der EN 50160
  • Fakten bei Kundenreklamationen
  • Rechtzeitiges Erkennen bei Überlastung einzelner Netzpunkte
  • Permanente Spannungsqualitätsüberwachung und Erkennen von Störquellen
  • Verbesserte Konditionen beim Stromeinkauf durch präzisere Bedarfsanalyse
  • Verzögerung oder Vermeidung von Investitionen durch Optimierung der Netzauslastung
  • Datenbeschaffung für Bundesnetzagentur
  • Der Kunde im Mittelpunkt

Der erste Schritt auf dem Weg zu einem umfassenden Spannungsqualitäts- und Energie-Managementsystem ist die Schaffung eines transparenten Versorgungsnetzes. Dies ist Basis für weitreichende Entscheidungen, z. B. um unnötige kostenintensive Neuinvestition in eine zusätzliche Unterstation zu vermeiden. Es können Maßnahmen ergriffen werden, um die Spannungsqualität zu verbessern (z. B. regelbare Ortsnetztransformatoren RONT). Zeitintensive Netzuntersuchungen um Störquellen zu identifizieren werden überflüssig.

„Wirklich ist was sich messen lässt“

Möglich wurde dies durch eine kontinuierliche Erfassung und Auswertung von Messdaten. Damit wurde ein hohes Maß an Transparenz der Energieflüsse und Spannungsqualitätsmerkmale – von der Einspeisung des Energieversorgers bis hin zum Verbraucher – erzielt.

GridVis® PQ-Analyse-Software

Die Software GridVis® gehört zum Lieferumfang des Messgerätes UMG 511. Mit ihrer Hilfe werden die Messdaten entweder online als Momentanwerte dargestellt, oder die aus dem Messwertspeicher ausgelesenen Werte graphisch dargestellt, sei es als Liniengraph, Balkengraph oder Histogramm. 

Die Analysetools Spannungsqualitätsreports nach EN 50160 und EN 61000-2-4 ermöglichen eine schnelle Auswertung nach einer der beiden Normen. Auf einen Blick wird ersichtlich, ob die Normen über den jeweiligen Messzeitraum erfüllt sind. Es kann direkt ein Ausdruck erstellt werden, sei es in Papierform oder als pdf-Datei.

Graphenset
Graphenset
Dokumentation einer Kurzzeitunterbrechung
Dokumentation einer Kurzzeitunterbrechung

Nachweispflicht gem. EN 50160

Versorgungsqualität ist das Kriterium, auf das sich Energieversorger fokussieren müssen. Das Thema Versorgungsqualität ist sowohl ein Aspekt der Anreizregulierung durch die Bundesnetzagentur, als auch ein Kriterium, über das sich ein EVU am Markt differenzieren kann, d. h. seinen Kunden gegenüber positiv präsentiert. Somit ist die Versorgungsqualität ein wichtiges Mittel zur Kundenbindung. 

Bereits heute ist das EVU verpflichtet, im Zuge der Produkthaftung und nach den Vorgaben der Bundesnetzagentur die Spannungsqualität einzuhalten. Darüber hinaus verpflichtet das Energiewirtschaftsgesetz Netzbetreiber dazu, Versorgungsstörungen der Bundesnetzagentur zu melden. 

Durch die permanente Überwachung sämtlicher in der EN 50160, EN 61000-2-4 oder durch den Benutzer definierten Spannungsqualitätsmerkmale, erlaubt es der Spannungsqualitätsanalysator UMG 511 für definierte Zeiträume die Einhaltung dieser Normen zu dokumentieren. 

Das UMG 511 hat einen internen 256 MB Flash Speicher zur kontinuierlichen Aufzeichnung von Daten. Dieser Messwertspeicher ist frei konfigurierbar bezüglich der zu speichernden Messwerte und der Aufzeichnungsintervalle. 

Das Aufzeichnungsintervall ist auch zugleich die Mittelungszeit des jeweiligen Messwertes. Zusätzlich können innerhalb dieses Intervalls die höchsten und niedrigsten Momentanwerte (200 ms-Mittelungszeit) mitgeschrieben werden.

Ausführlicher Netzqualitätsreport EN50160
Ausführlicher Netzqualitätsreport EN50160

Dokumentationen von Ereignisse und Transienten

Die Messung des UMG 511 erlaubt zwei verschiedene Überwachungen. Ereignisse (in Spannung und Strom möglich) werden als 200 ms Mittelwert (10 Perioden im 50 Hz Systemen) für den Vergleich der Spannungsgrenzen genutzt. Verlässt der gemessene Mittelwert die erlaubten Grenzen, so wird automatisch eine vorher eingestellte Aufzeichnung der gewünschten Netzparameter gemacht. 

Wesentlich schnellere Aufzeichnungen erlaubt die Messung der Transienten (Nur in Spannung möglich). 

Es gibt hierbei drei unabhängige Kriterien: 

1. Absolut: Überschreitet ein Abtastwert den eingestellten Grenzwert, so wird eine Transiente erkannt. 

2. Schneller Anstieg: Überschreitet die Differenz von zwei benachbarten Abtastpunkten den eingestellten Grenzwert, so wird eine Transiente festgestellt. 

3. Einhüllend: Wird der eingestellte Grenzwert überschritten, so wird eine Transiente registriert. Wird in einem der drei Verfahren eine Transiente erkannt, so wird der Netzzustand mit Vor- und Nachlauf aufgezeichnet. 

Transienten können ab einer Dauer von 50 μs sicher erfasst werden.

Fakten bei Kundenreklamationen

Der Spannungsqualitätsanalysator UMG 511 ermöglicht auf Knopfdruck für einen definierten Zeitraum eine komplette Netzanalyse gemäß der Norm EN 50160. Ein umfangreicher Bericht mit sämtlichen Parametern wird automatisch generiert, und kann Kunden bei Rückfragen zur Verfügung gestellt werden. Sowohl der dafür benötigte minimale Zeitaufwand für das EVU, die schnelle Auskunft als auch der übersichtlich gestaltete Bericht machen dieses Tool für den Kunden besonders überzeugend. Werden engere Grenzwerte als die der EN 50160 vom Kunden gewünscht, können diese ebenso eingestellt werden. So können bei der Reklamation eines Kunden, z. B. über eine angebliche Kurzeitunterbrechung, umgehend Fakten geschaffen werden.

Rechtzeitiges Erkennen bei Überlastung einzelner Netzpunkte

Eine stabile Netzversorgung setzt voraus, dass man die Grenzen des Netzes kennt. Hier sind Strom und Leistung ebenso zu nennen wie die diversen Spannungs-qualitätsmerkmale, z. B. THD-U, und diese müssen permanent überwacht werden, um eine Überlastung zu vermeiden. 

Das UMG 511 ermöglicht mit der grafischen Programmierung der GridVis® eine zusätzliche Applikation (ähnlich wie bei einer SPS), wie z.B. eine Grenzwertüberwachung zu programmieren. Eine Vorlage für die Überwachung eines Grenzwertes ist schon in der GridVis® hinterlegt und ist somit leicht anzupassen. Diese Überwachung kann einem Digitalausgang, einer Modbus-Adresse oder auch einem Email-Versand zugeordnet werden.

Entsprechende Informationen können auch komfortabel über die verschiedenen Schnittstellen, wie z. B. Ethernet (inkl. Webserver), Profibus oder Modbus RTU ausgelesen werden.

Überwachung der Oberschwingung
Überwachung der Oberschwingung

Permanente Spannungsqualitätsüberwachung und Erkennen von Störquellen

Durch eine kontinuierliche Spannungsqualitätsüberwachung wird es möglich, Netzrückwirkungen zu erkennen und daraufhin weitere Recherchen oder Gegenmaßnahmen einzuleiten. 

Ab Inbetriebnahme sind Anschlusswert und Anschlussleistung eines Unternehmens kontinuierlich Veränderungen unterworfen. Erweiterungen oder Erneuerungen der elektrischen Verbraucher gehen häufig vom EVU unbemerkt vonstatten. Kommt es dadurch zu unzulässigen Netzrückwirkungen, so stellen dies noch immer viele EVUs nur durch Reklamationen angrenzender Kunden fest. 

Das UMG 511 erkennt solche Netzrückwirkungen unmittelbar und bietet dem EVU die Möglichkeit, entsprechend schnell zu reagieren und möglichen Reklamationen anderer Kunden zuvorzukommen. Dadurch konnten häufig schon kostenintensive Reklamationen vermieden werden.

Verzögerung oder Vermeidung von Investitionen durch Optimierung der Netzauslastung

Durch eine hohe Netztransparenz mittels permanenter Überwachung kritischer Netzpunkte ist es möglich, Netze höher auszulasten. Eine detaillierte Netzkenntnis erlaubt es, Unsicherheitsfaktoren zu reduzieren. Es können kritische Pegel, wie z. B. leistungsmäßige Auslastung eines Netzpunktes, voreingestellt werden und bei Überschreitung entsprechende Warnmeldungen an die Leitzentrale mitgeteilt werden.

Lastgang im Tagesablauf
Lastgang im Tagesablauf

Datenbeschaffung für Bundesnetzagentur

Im Zuge der Energieliberalisierung wurde mit der Bundesnetzagentur (BNA) eine Aufsichtsbehörde installiert. Die von der BNA geforderten Daten sind neben den Leistungswerten auch Beginn und Dauer von Versorgungsunterbrechungen. Diese Daten werden automatisch über die GridVis® Software in einer MySQL-Datenbank auf einen Datenserver der infra fürth eingelesen. Die Schnittstelle zu einer SQL Datenbank wurde als Standard in die Software integriert.

Servicequalität – Der Kunde im Mittelpunkt

  • Schnelle Reaktion 
  • Fakten schaffen 
  • Kundenzufriedenheit 
  • Kundenbindung 

Gerd Meier von der Abteilung Planung, Bau, Betrieb Stromversorgung von infra fürth GmbH bestätigt die erfolgreiche Projektdurchführung und stellt fest:

„Dank der Installation der UMG 511 Spannungsqualitätsanalysatoren haben wir eine Transparenz in unserem Versorgungsgebiet von nie dagewesener Tiefe erreicht. Die umfangreichen Möglichkeiten der UMG 511 erlauben es uns jetzt, die nötigen Daten zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu haben, damit die Verantwortlichen die nötigen Entscheidungen treffen können und wenn nötig rechtzeitig Maßnahmen einleiten können.“

5. Übersicht Merkmale der Versorgungsspannung gemäß EN50160

6. Normen, Richtlinien und Empfehlungen

Wesentliche Normen, Berichte und Empfehlungen im Zusammenhang mit diesem Projekt: 

  • EN 50160: Voltage Characteristics of Electricity supplied by Public Distribution Systems 
  • IEC 61000-2-4: Environment – Compatibility levels in industrial plants for low-frequency conducted disturbances 
  • CEER: Ref. C05-QOS-01-03, December 2005, "Third Benchmarking Report on Quality of Electricity Supply” 
  • ERGEG: Ref. E06-EQS-09-03, December 2006, "Towards Voltage Quality Regulation in Europe, 
  • An ERGEG Public Consultation Paper" 
  • Engineering Recommendation G5/4: Planning levels for harmonic voltage distortion and the connection of non-linear equipment to transmission systems and distribution networks in the United Kingdom 
  • IEEE Std. 519-1992: IEEE Recommended practices and requirements for harmonic control in electrical power systems 
  • IEC 60439-1/2/3: Low voltage switchgear and control gear assemblies

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