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Hier steckt Intelligenz: Automatisierungstechnik in Ortsnetzstationen hilft künftig, erneuerbare Energie sicher ins Stromnetz zu bringen.
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Intelligenz für die Energiewende

Text: Sabrina Quente, Energy 2.0 Fotos: Siemens
Fukushima hat der Energiewende den Weg geebnet. Die damit verbundenen Herausforderungen sind enorm, auch im Verteilnetz. Automatisierungstechnik soll deshalb jetzt mehr Grips ins Netz bringen.

München im Sommer 2013: Die Stadt ächzt unter drückender Hitze, und glücklich ist, wer jetzt ein kühles Eis ergattern kann. Kein Problem - außer am Morgen des 22. August: Über Twitter melden die Stadtwerke München einen Stromausfall, der die Altstadt knapp zwei Stunden lang vom Stromnetz trennt und dem Traum vom kühlen Eis gefährdet.

Mit etwas mehr Sensorik sowie Steuer- und Regeltechnik im Netz wäre es möglich gewesen, den Ausfall binnen Sekunden zu beheben. Deshalb beschäftigt Siemens sich mit der Frage, wie die Verteilnetze künftig „intelligenter“ werden können. Durch die rasant wachsende Zahl erneuerbarer Erzeugungsanlagen müssen die Netzbetreiber das bestehende Netz für zusätzliche Einspeiseleistungen zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe zieht einen kostspieligen Netzausbau nach sich, der jedoch nicht das Problem von wechselnder Energierichtung und Lastschwankungen löst.

Intelligenzschübe fürs Netz

Die Lösung für diese Probleme liegt im aktiven Verteilnetz mit intelligenten Netzstationen, sagt Bernd Schüpferling. Der Produktmanager Innovationen Sekundärtechnik bei Siemens Infrastructure and Cities kümmert sich darum, dass Automatisierungstechnik das Verteilnetz zukunftssicher macht.

Siemens hat für die Netzstationen eine dreistufige Intelligenz definiert. Zunächst geht es dabei um das reine Monitoring. Damit ist ein Netzausfall zwar nicht per Automatik lösbar, es stellt jedoch den ersten Schritt in Richtung einer vollen Intelligenz dar. Als einfaches Beispiel führt Schüpferling die Meldung eines durch einen Bagger verursachten Kurzschlusses an. Ein Kurzschlussanzeiger erfasst dabei den Fehler und meldet ihn mittels einer Remote Terminal Unit (RTU, deutsch Fernbedienungsterminal) an eine Netzleitstelle.

Somit ist der Fehlerort sofort lokalisiert und der Netzbetreiber kann entsprechende Maßnahmen einleiten. „Eine aufwendige Fehlersuche durch das Abfahren der einzelnen Netzstationen lässt sich so vermeiden. Das reduziert entstehende Ausfallzeiten deutlich“, erklärt der Experte für intelligente Ortsnetzstationen und weist auch auf die für Netzbetreiber wichtigen Themen Anreizregulierung und Gütefaktor hin: „Das Netzentgelt hängt von den Ausfallzeiten ab. Durch intelligente Kurzschlussanzeiger, die fernwirktechnisch angebunden sind, lassen sich also erste Erfolge erzielen.“

Nächste Stufe nach dem Monitoring ist das Fernsteuern. Bleibt man bei dem Bagger-Beispiel, so erfolgen hier Umschaltung und Wiederversorgung der betroffenen Netzabschnitte nicht von der Fehlerstelle, sondern von der Netzleitstelle aus. Damit entfällt zunächst die zeitaufwendige Anfahrt zur gestörten Netzstation. „Je nach länderspezifischen Vorschriften kann man so auch die Ausfallzeit innerhalb eines definierten Zeitfensters einschränken und negative Auswirkungen auf Qualitätsfaktoren oder Netzentgelte verhindern“, ergänzt Bernd Schüpferling. Ganz verzichten könne man auf den Monteur vor Ort aber nicht: „Die Fernsteuerung ermöglicht es, das Service-Personal, das sonst den Fehler vor Ort lokalisieren und freischalten müsste, gezielt zur fehlerhaften und bereits freigeschalteten Stelle des Netzes zu lotsen und dort weitere notwendigen Aktivitäten zu erledigen.“ Das spare im Netzbetrieb sowohl Logistik- als auch Kostenaufwand.

Stufe drei ist die Lastflusssteuerung. Hierbei werden Strom- und Spannungsinformationen aus dem Nieder- oder Mittelspannungsverteilnetz dazu verwendet, um über Algorithmen regelbare Ortsnetztransformatoren zu regeln, oder Vorgaben an Wechselrichter von Erzeugungsanlagen zu geben. Diese können heute schon Blindleistung bereitstellen und so zur optimalen Ausnutzung des Verteilnetzes beitragen.

Blindleistung und Energiequalität

Da die Blindleistung bei zunehmender regenerativer Einspeisung in Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird, muss die intelligente Ortsnetzstation also auch darauf vorbereitet sein. Sie kann deshalb Leistungswerte wie Ströme und Spannungen erfassen. Die hierfür notwendige Sensorik kann entweder direkt in der Ortsnetzstation oder dezentral im Niederspannungsverteilnetz installiert sein.

Die bereitgestellten Messwerte werden aber in jedem Fall in einer zentralen RTU in der Ortsnetzstation gesammelt und daraus Regelalgorhytmen abgeleitet, die den Wechselrichtern der Erzeugungsanlagen vorgeben, welcher Leistungsfaktor benötigt wird. Genau hier setzt das Prinzip der intelligenten Ortsnetzstation an, erklärt Schüpferling: „Irgendwo muss die Schlüsselstelle sein, die den Takt schlägt. Das sehen wir in der Ortsnetzstation, wo Mittel- und Niederspannung zusammentreffen.“ Die Ortsnetzstation selbst ist in der Lage, mit einem lokal installierten regelbaren Ortsnetztrafo Regelungen direkt auszuführen. Mit den vorhandenen Messwerten kann sie aber auch Befehle an verschiedene andere Netzkomponenten erteilen, etwa an Wechselrichter von Erzeugungsanlagen.

„Ein großes Problem“, erklärt Bernd Schüpferling, „ist die Spannungshaltung vor allem auf der Niederspannungsseite.“ Die Norm DIN EN 50160 gibt den Netzbetreibern ein Spannungsband plus minus zehn Prozent vor. „Gewisse Sonnentage, an denen keine Last aber viel erzeugte Energie im Netz ist, können zu einer Verletzung des vorgegebenen Spannungsbandes führen. Die Betreiber müssen dann erfassen können, dass sich die Spannung nicht mehr im vorgegebenen Band befindet und eine Möglichkeit haben, zu reagieren“, so Schüpferling.

Abhilfe schafft auch hier der regelbare Ortsnetztrafo. Er wird nachgeregelt bis sich die Netzspannung wieder innerhalb des erlaubten Spannungsbandes befindet. „Wir bieten einen Transformator, der regelbar ist und die gleichen Abmessungen hat, wie ein konventioneller Transformator“, sagt Schüpferling. Bei dieser Lösung kann man den bestehenden Trafo in der Station ersetzen. Um die Station aber „intelligent“ gestalten zu können, ist es zusätzlich nötig, diese mit der Sensorik, der RTU und den Kommunikationskomponenten zu ergänzen.

Appetizer für das Netz der Zukunft

Siemens will mit seinen Lösungen den Netzbetreibern helfen, die Probleme in den Griff zu bekommen, die mit den regenerativen Energieerzeugern im Netz einhergehen. Dabei will man sich aber nicht darauf beschränken, Starthilfe zu leisten: „Unsere Systeme sind nach oben fast unbeschränkt erweiterbar und so kann man unser Angebot durchaus auch als Appetizer verstehen und im weiteren Verlauf versuchen, eine ganzheitliche Lösung schmackhaft zu machen“, verspricht Schüpferling.

Sein Unternehmen verstehe sich dabei als kompetenter Partner für intelligente Lösungen und Systeme im Verteilnetz. Zwar sei die Angst vor Fehlinvestitionen noch recht hoch. „Es gibt aber Netzbetreiber, die die Zeichen der Zeit erkannt haben, für technische Lösungen offen sind und sich für zukünftige Aufgaben und Situationen rüsten“, weiß Schüpferling. Zudem haben viele Netzbetreiber heute schon riesige Probleme und brauchen eine Lösung.

Über kurz oder lang werde die „Intelligenz“ im Netz also wachsen. Zudem bietet Siemens mit der Lastflusssteuerung schon heute eine Möglichkeit, den Netzausbau in manchen Fällen wenigstens aufzuschieben wenn nicht gar überflüssig zu machen. Manche Investition entfallen dadurch, denn Kupfer oder ein Netzausbau sind teurer als Elektronik. So blickt Schüpferling gelassen in die Zukunft: „Mit unserer Lösung haben wir einen Weg gefunden, das Verteilnetz zukunftssicher zu automatisieren.“

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