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Netzqualität auf hohem Niveau – Die Spannungsqualität gemäß EN50160 im Griff

Im Idealfall ist unsere Spannungsversorgung sinusförmig und hat eine Frequenz von 50 bzw. 60Hz. Die Höhe der Spannung ist der Effektivwert dieser Sinusschwingung. Der Nennwert im Niederspannungsnetz beträgt 3x400V Phase gegen Phase bzw. 3x230V Phase gegen Erde. Diese Werte ändern sich kontinuierlich während des Betriebes aufgrund von Lastschwankungen, Störeinflüssen und äußeren Einwirkungen. Die elektrische Energie wird dem Kunden über ein weites Netz vom Erzeuger bereit gestellt. Auch der Verbraucher selbst hat mit seiner Nutzung von elektrischer Energie maßgeblichen Einfluss auf die Spannungsqualität. Die Europanorm EN50160 legt solche Einwirkungen auf die Versorgungsspannung fest und beschreibt den in Europa zu erwartenden Mindeststandard an Spannungsqualität.

Spannungsqualitätsmanagementsysteme lassen sich mit Hilfe von Netzanalysatoren realisieren, die an kritischen Netzpunkten installiert sind. Die Netzanalysatoren werden vernetzt und an die Netzleitzentrale angeschlossen. Softwarelösungen erledigen heute effizient und weitgehend automatisch Analysetätigkeiten, die früher manuell mit hohem Zeitaufwand durchgeführt wurden, wie z.B. der grafische Vergleich von Störschrieben, Datenaufbereitung für die Bundesnetzagentur, Vergleich der Klirrfaktoren (THD-U) oder die Auslastung verschiedener Netzteile.

Steigende Anforderungen an Energieversorger

Stetig steigende Anforderungen an die Energieversorgungsunternehmen (EVU) im Hinblick auf die Versorgungsqualität und Versorgungssicherheit der Kunden stehen im Gegensatz zu den Forderungen der Gesellschafter nach mehr Wirtschaftlichkeit und höheren Gewinnen. Einerseits wurden in den letzten Jahrzehnten aufgrund der Liberalisierung der Energiemärkte und einer verschärften Wettbewerbssituation die Redundanzen im Netz, also Sicherheitsmargen deutlich zurückgefahren. Andererseits sind wir in einem immer größeren Ausmaß abhängig von einer zuverlässigen Stromversorgung. Leider wurde uns diese extreme Abhängigkeit in den letzten Jahren bei den großflächigen Stromausfällen in den USA, Italien, Dänemark und zuletzt 2006 in Westeuropa deutlich vor Augen geführt. Für eine sichere Energieversorgung sind neue Wege gefragt. Wichtigster Baustein ist eine höhere Transparenz der Energieversorgungsnetze.

Bedeutung einer sicheren Stromversorgung

Der elektrische Strom hat verschiedene Merkmale, die 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 steigende Anzahl nicht-linearer Verbraucher, die durch die Erzeugung von Netzrückwirkungen andere Geräte mit hoher Empfindlichkeit wie Computer, elektronische Steuerungen usw. beeinträchtigen. Beispielsweise reagieren elektronische Steuerungen in höchstem Maße sensibel auf Spannungsschwankungen, auch wenn sich diese nur innerhalb eines Bruchteils einer Sekunden abspielen. 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, Rückwirkung auf das Netz und somit das Produkt Strom. Auch andere Stromkunden (Nachbarn) werden von diesen Rückwirkungen beeinflusst.

Faktoren für Spannungsqualitätsmanagementsysteme

Da die Motivation von Energieversorgungsunternehmen häufig ausschließlich die Nachweispflicht im Rahmen des Energiewirtschaftsgesetzes über die Versorgungszuverlässigkeit und Spannungsqualität gemäß der Norm EN50160 ist, sieht man mehr und mehr auch die Vorteile eines transparenten Netzes:

Transparenz für das EVU-Netz

Nachweispflicht gemäß der EN50160

Fakten bei Kundenreklamationen

Rechtzeitiges Erkennen bei Überlastung einzelner Netzpunkte

Permanente Überwachung der Spannungsqualität und Erkennen von Störquellen

Verbesserte Konditionen beim Stromeinkauf durch präzisere Bedarfsanalyse

Verzögerung oder Vermeidung von Investitionen durch Optimierung der Netzauslastung

Datenbeschaffung für die Bundesnetzagentur

Transparenz im Netz

Der erste Schritt auf dem Weg zu einem umfassenden Spannungsqualitäts- und Energiemanagementsystem ist die Schaffung eines transparenten Stromnetzes. Dies ist Basis für weitreichende Entscheidungen, beispielsweise um kostspielige Neuinvestitionen in eine zusätzliche Unterstation zu vermeiden. Es können Maßnahmen ergriffen werden, um die Spannungsqualität zu verbessern (z.B. aktive Oberschwingungsfilter). Zeitintensive Netzuntersuchungen um Störquellen zu identifizieren werden überflüssig. Möglich wird dies durch eine kontinuierliche Erfassung und Auswertung von Messdaten. Damit wird ein hohes Maß an Transparenz der Energieflüsse und Spannungsqualitätsmerkmale – von der Einspeisung des Stromlieferanten bis hin zum Verbraucher – erzielt. Die erforderlichen Daten stehen in verständlicher Form 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.

Software GridVis

Neben den Netzanalysatoren spielen zum Verarbeiten von mehr als 2000 Messwerten und der damit verbundenen Vielfalt an Daten, praxisorientierte Analysetools eine wesentliche Rolle. Solche Softwarepakete stellen die Messdaten entweder online als Momentanwerte oder die aus dem Messwertspeicher ausgelesenen Werte grafisch dar, sei es als Liniengraph, Balkengraph oder Histogramm. Die Analysetools zur Erstellung von Reports gemäß den Normen EN50160 und EN61000-2-4 und der Software GridVis (im Lieferumfang des UMG 511 von Janitza electronics enthalten) ermöglichen eine Auswertung auf ‚Knopfdruck‘. Ein Blick zeigt, ob diese Normen über den jeweiligen Messzeitraum erfüllt wurden. Die Ansicht lässt sich auf Papier, HTML, Excel, Image oder als pdf. Datei ausgeben.

Nachweispflicht gemäß EN50160

Versorgungsqualität ist ein wesentliches Kriterium für Energieversorger. Es enthält den Aspekt der Anreizregulierung durch die Bundesnetzagentur, ist aber auch ein Kriterium, über das sich ein Energieversorger am Markt differenzieren kann, indem er sich seinen Kunden gegenüber positiv präsentiert. Bereits heute sind Energieversorgungsunternehmen verpflichtet die Spannungsqualität im Zuge der Produkthaftung und nach den Vorgaben der Bundesnetzagentur einzuhalten. Darüber hinaus verpflichtet das Energiewirtschaftsgesetz Netzbetreiber dazu, Versorgungsstörungen der Bundesnetzagentur zu melden. Durch die permanente Überwachung sämtlicher in der EN50160,
EN61000-2-4 oder durch den Benutzer definierten Spannungsqualitätsmerkmale erlaubt es der Netzanalysator UMG 511, für definierte Zeiträume die Einhaltung dieser Normen zu dokumentieren. Das UMG 511 hat einen internen Flash-Speicher mit 128MB zur kontinuierlichen Aufzeichnung aller gemessenen Daten. Er 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 mitgeschrieben werden. Die Daten werden in Kurvenform y(t) gespeichert. Transienten werden dann aufgezeichnet, wenn die Spannung eine absolute Schwelle (positiv und negativ) überschreitet, oder wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung die programmierte Schwelle überschreitet. Es können alle acht Messkanäle (4x Strom und 4x Spannung) mit bis zu 16.000 Messpunkten aufgezeichnet werden. Transienten werden ab einer Zeit größer 50µs erfasst. Ereignisse wie Unter- und Überspannungen oder Überströme können ab einer halben Periodendauer sicher erfasst werden. Die Ereignisse werden mit bis zu 16.000 Halbwellen als Effektivwertschreiber aufgezeichnet. Der Netzanalysator UMG 511 ermöglicht auf Knopfdruck für einen definierten Zeitraum eine komplette Netzanalyse gemäß der Norm EN50160. Er generiert automatisch einen umfangreichen Bericht mit sämtlichen Parametern, den Stromkunden bei Rückfragen erhalten können. Engere Grenzwerte als die der EN50160 lassen sich auf Wunsch einstellen. So lassen sich bei Reklamationen, z.B. über eine angebliche Kurzeitunterbrechung, umgehend Fakten anführen.

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 Spannungsqualitätsmerkmale, z.B. THD-U. Um eine Überlastung zu vermeiden, müssen diese Parameter permanent überwacht werden. Intelligente Managementsysteme für Spannungsqualität erfordern neben der reinen Messung von Systemparametern automatisierte ‚Entscheidungen‘ des Systems. Das UMG 511 ermöglicht es, dafür Grenzwerte zu setzen. Über die grafische Programmierung oder per Jasic-Quellcode können Anwenderprogramme nahezu beliebig programmiert werden, so dass über logische Verknüpfungen Digitalausgänge aktiviert werden können. So ist es z.B. denkbar, diese Ausgänge mit Grenzwertüberschreitungen zu belegen und an die Fernwirkanlage zu übergeben, damit die Information in der Leitzentrale als Basis für Schalthandlungen oder anderweitige Maßnahmen zur Verfügung steht. Solche Informationen können auch komfortabel ohne Verdrahtungsaufwand über Schnittstellen wie Ethernet (inkl. Webserver), Profibus oder Modbus RTU ausgelesen werden.

Qualitätsüberwachung und Störquellenerkennung

Die kontinuierliche Überwachung der Spannungsqualität macht es möglich, Netzrückwirkungen von Kundenseite oder Netzteilen her zu erkennen und daraufhin weitere Recherchen oder Gegenmaßnahmen einzuleiten. Ab Inbetriebnahme verändern sich Anschlusswert und Anschlussleistung eines angeschlossenen Unternehmens (Verbrauchers) kontinuierlich. Erweiterungen oder Erneuerungen der elektrischen Verbraucher gehen häufig vom Energieversorger unbemerkt vonstatten. Kommt es dadurch zu unzulässigen Netzrückwirkungen, so stellen dies viele Energieversorgungsunternehmen erst durch Reklamationen angrenzender Kunden fest. Das UMG 511 erkennt solche Netzrückwirkungen unmittelbar und bietet dem EVU die Möglichkeit, schnell zu reagieren und Reklamationen von Kunden zuvorzukommen. Durch eine hohe Netztransparenz mittels permanenter Überwachung kritischer Netzpunkte ist es möglich, Netze höher auszulasten. Eine detaillierte Netzkenntnis ermöglicht es, pauschale Sicherheitsreserven zu reduzieren. Es können kritische Pegel, wie zum Beispiel die leistungsmäßige Auslastung eines Netzpunktes, voreingestellt werden und bei Überschreitung automatische Warnmeldungen an die Leitzentrale abgesetzt werden.

Datenbeschaffung für die Bundesnetzagentur

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

Resümee

Die zunehmende Ausbreitung von dezentralen Energieerzeugungseinrichtungen, der stark zunehmende Anteil nichtlinearer Lasten ebenso wie die beschränkten Energieressourcen sowie ein verstärkter Wettbewerb auf dem Energiesektor werden zu einer rasanten Entwicklung auf dem Gebiet des Spannungsqualitätsmanagements führen.

Kasten 1:
Eigenschaften des UMG 511


Messung der Spannungsqualität nach DIN EN61000-4-3, Messverfahren Klasse A,
Messgenauigkeit Klasse B

Fourieranalyse 1. bis 63. Oberschwingung für U-LL, U-LN, I, P und Q, Messung der
Oberschwingungen und Zwischenharmonischen (U-LL, U-LN, I) nach DIN EN61000-4-7

Flickermessung nach DIN EN61000-4-15

Messung in IT- TN- und TT- Netzen (500V CATIII)

vier Spannungs- und vier Strommesseingänge

Kontinuierliche Abtastung der Messeingänge mit 20kHz

Erfassung von 2000 Messwerten pro Messzyklus (200ms)

Transientenrecorder, >50µs und Speicherung mit bis zu 16000 Abtastpunkten

Datenlogger / Ereignisschreiber (128MB Flashdisk)

acht digitale Eingänge und fünf digitale Ausgänge

Profibus DP/V0 alternativ RS485 (Modbus RTU, Modbus Master, BACnet)

Ethernet (Web-Server, E-Mail, BACnet)

Analyse und Auswertung nach DIN EN50160 (Software im Lieferumfang)

SPS – Funktionalität (bis zu sieben frei programmierbare Programme)

Spitzenlastoptimierung (optional)

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