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Energieversorgung & Energiewirtschaft

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Überwachung der Spannungsqualität

Text: Rudolf Müller, Janitza Electronics; Bernd Mirsberger, Ingenieurbüro Beyer
Die Anforderungen an die Versorgungssicherheit und -qualität steigen. Gleichzeitig sollen Energieversorger aber wirtschaftlicher werden und höhere Gewinnmargen erzielen. Der Schlüssel liegt in der Spannungsqualität.

Aufgrund der Liberalisierung der Energiemärkte und einer verschärften Wettbewerbssituation sind in den letzten Jahren die Redundanzen im Netz (Sicherheitsreserven) deutlich zurückgegangen. Andererseits sind wir in allen Bereichen des täglichen Lebens in einem immer größeren Ausmaß abhängig von einer ausfallsicheren Stromversorgung. Dafür sind neue Wege gefragt. Es reicht nicht mehr, nur den Spannungsnennwert und die Stromspitze im letzten Monat zu überwachen. Wichtigster Baustein ist eine höhere Transparenz der Energieversorgungsnetze.

Die elektrische Spannung hat verschiedene Merkmale, welche die Qualität des Produktes Strom ausmachen. Sie lassen sich unter den Begriffen Verfügbarkeit und Nutzbarkeit zusammenfassen. Die Nutzbarkeit, soweit keine Spannungs­unterbrechungen vorliegen, wird mit der Spannungsqualität beschrieben. Sie gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere durch die wachsende Anzahl nichtlinearer Verbraucher, die auf der einen Seite Netzrückwirkungen erzeugen und andererseits Verbraucher mit hoher Empfindlichkeit wie etwa IT-Geräte stören. So reagieren etwa elektronische Steuerungen in höchstem Maße sensibel auf Spannungsschwankungen, auch wenn sich diese nur innerhalb von Millisekunden abspielen.

Zudem ist sowohl bei Energiekunden als bei Energieversorgungsunternehmen das Bewusstsein für Spannungsqualität gewachsen, wobei der Aspekt der kontinuierlichen und direkten gegenseitigen Beeinflussung zwischen Erzeugung und Verbrauch zu einer Besonderheit führt: Während industriell gefertigte Produkte einer Qualitätskontrolle unterzogen und mit einer klar definierten Qualität an den Kunden ausgeliefert werden, hat beim elektrischen Strom auch die Nutzung durch den Kunden einen unmittelbaren Einfluss: Es entsteht eine Rückwirkung auf das Netz und somit das Produkt Strom. Auch andere Stromkunden (Nachbarn) werden von diesen Rückwirkungen beeinflusst.

Spannungsqualität managen

Der erste Schritt auf dem Weg zu einem umfassenden Spannungsqualitäts- und Energie-Managementsystem ist es, im Versorgungsnetz durch eine kontinuierliche Erfassung und Auswertung von Messdaten Transparenz zu schaffen. Dies ist Basis für weitreichende Entscheidungen, etwa um eine unnötige Investitionen in eine zusätzliche Unterstation zu vermeiden. Es können Maßnahmen zur Verbesserung der Spannungsqualität (etwa regelbare Ortsnetztransformatoren) ergriffen werden, und zeitintensive Netzuntersuchungen zur Identifikation von Störquellen werden überflüssig.

Erfassung und Auswertung von Messdaten in Netzen spielen eine Rolle bei der Nachweispflicht im Rahmen des Energiewirtschaftsgesetzes über die Versorgungszuverlässigkeit und Spannungsqualität gemäß der Norm EN 50160 (siehe Kasten). Bereits heute sind Energieversorger verpflichtet, im Zuge der Produkthaftung und nach Vorgaben der Bundesnetzagentur die Spannungsqualität einzuhalten. Darüber hinaus verpflichtet das Energiewirtschaftsgesetz Netzbetreiber, der Bundesnetzagentur Versorgungsstörungen zu melden.

Zusammengefasst bietet Transparenz in Netzen die folgenden Vorteile:

  • Dokumentation von Ereignissen und Transienten

  • Schnelle Bereitstellung von Fakten bei Kundenreklama­tionen

  • Rechtzeitiges Erkennen der Überlastung einzelner Netzpunkte

  • Permanente Spannungsqualitätsüberwachung und Erkennen von Störquellen

  • Verzögerung oder Vermeidung von Investitionen durch Optimierung der Netzauslastung

  • Datenbeschaffung für die Bundesnetzagentur

Messdaten erfassen und auswerten in der Praxis

Der Energieversorger Infra Fürth beliefert mit drei Umspannwerken, über 450 Trafostationen und einem Spitzen­bezug von 94 MW etwa 13.500 Menschen mit Energie. Außerdem ist die Stadt Fürth deutschlandweit auf Rang 3 der installierten Photovoltaikanlagen. Infra Fürth hat früh erkannt, welche einschneidenden Änderungen auf sie zukommen, und hat bereits 2005 begonnen, im gesamten Versorgungsgebiet ein umfangreiches Spannungsqualitäts-Managementsystem aufzubauen. Im Fokus standen dabei Trafostationen und Abgänge zu großen Industrieunternehmen sowie kritischen Kunden, also Erzeuger von Netzrückwirkungen oder Unternehmen mit hohen Anforderungen an besonders gute Spannungsqualität, etwa bei kontinuierlichen Prozessen.

An solchen wesentlichen Netzpunkten hat Infra Fürth dazu mittlerweile 40 Spannungsqualitätsanalysatoren UMG 511 installiert. Die Analysatoren ermöglichen Spannungsqualitäts-Analysen gemäß der Normen EN 50160 und EN 61000-2-4 sowie benutzerdefinierte Analysen. Die permanente Überwachung der Werte dokumentiert die Einhaltung der Normen für definierte Zeiträume. Zum Lieferumfang des Messgerätes gehört auch die Software Gridvis. Sie präsentiert die Messdaten entweder online als Momentanwerte oder stellt die aus dem Messwertspeicher ausgelesenen Werte graphisch dar.

In der Leitwarte in Fürth laufen sämtliche Informationen der Analysatoren zusammen. Die Daten stehen ständig und aktualisiert zur Verfügung, Schalthandlungen werden veranlasst um etwa Überlastungen von Leitungen oder Transformatoren zu vermeiden. In den meisten Fällen können Schäden in Grenzen gehalten werden, wenn dem Bedienpersonal zur richtigen Zeit Informationen dazu zur Verfügung stehen und es Entscheidungen auf Basis von Fakten treffen kann. Das System bietet eine intelligenten Lösung zur Erfassung und Auswertung von Messdaten für die Spannungsqualität. Analysetätigkeiten, die früher manuell mit hohem zeitlichem Aufwand durchgeführt wurden, wie Datenaufbereitung für die Bundesnetzagentur, Vergleich der Klirrfaktoren (THD-U) oder die Auslastung verschiedener Netzteile, laufen effizient und weitgehend automatisiert ab.

Weitere Informationen

Wesentliche Normen, Berichte und Empfehlungen:

  • 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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