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Jedem Mittelspannungsnetz sein Fernmonitoring

Wie können Netzbetreiber bei Netzunterbrechungen in der Mittelspannung schneller und wirkungsvoller agieren? Eine Option sind durchgängige Fernsteuerungskonzepte mit Kurzschluss-Richtungsund Erdkurzschluss-Richtungsanzeigern. Ein solches Konzept hat der Netzbetreiber NEW Netz zusammen mit dem Partner Horstmann GmbH umgesetzt.

Der sukzessive Wechsel von fossilen auf regenerative Energieträger und der damit verbundene Wandel von zentraler zu dezentraler Erzeugung stellt Betreiber von Mittelspannungsnetzen heute schon vor Herausforderungen. Allein aus dem Langfristszenario – weg vom Verbrennungsmotor hin zur Elektromobilität – resultiert aufgrund der benötigten Ladeinfrastruktur eine Mehrbelastung der Mittelspannungsnetze. Die zunehmende Beliebtheit von Photovoltaikanlagen und Wärmepumpen auch in Privathaushalten wird diese Belastung zusätzlich verstärken.


Im Jahr 2018 kam es in den Mittelspannungsnetzen Deutschlands zu 23 700 Unterbrechungen, aus denen durchschnittliche Stromunterbrechungen je Letztverbraucher und Jahr von rund 11 min resultierten. Zudem konfrontiert der demografische Wandel Energieversorger mit zusätzlichen Herausforderungen:
Während die Zahl der Strom verbrauchenden Endgeräte weiter zunimmt und damit die volatile Belastung der Mittelspannungsnetze steigt, kommt es parallel bei jungen, gut ausgebildeten Fachkräften in der Energiewirtschaft zu immer mehr Engpässen. Um die hohe Versorgungssicherheit auch mit weniger Personal aufrecht zu erhalten, braucht es zukunftsfähige Konzepte für Fernsteuerung und Fernmonitoring.

Fernsteuerung: schnell und zielgerichtet Schalten

Welche Möglichkeiten haben die knapp 866 Verteilnetzbetreiber, um ihre Mittelspannungsnetze besser zu sichern und im Fall eines Ausfalls schnell und wirkungsvoll agieren zu können? Welche Optionen bieten sich Energieversorgern hinsichtlich Fernübertragung und Fernsteuerung, um eventuelle Ausfallzeiten zu minimieren? Was können Netzbetreiber schon heute leisten, um sich auf die Zahl zunehmender Netzteilnehmer vorzubereiten und sich auch auf mögliche Ausfälle durch steigende Lasten zu wappnen?
Eine Option sind Fernsteuerungskonzepte für Mittelspannungsschaltanlagen, die eine Installation von Kurzschluss-Richtungs- und Erdkurzschluss-Richtungsanzeigern erfordern. Diese erfassen unterschiedliche Parameter wie Lastströme, -spannungen, Leistungen, cos ɸ oder Frequenzen des Mittelspannungsnetzes, bringen sie vor Ort zur Anzeige und übermitteln diese an
eine Leitstelle – Analyse und Prognose inklusive.

NEW: Herausforderungen der Zukunft schon heute begegnen

Die NEW Netz GmbH als Tochterunternehmen der NEW AG betreibt am Niederrhein unter anderem in Teilen der Kreise Heinsberg, Viersen, Neuss und der Stadt Mönchengladbach sowie in Niederkrüchten fünf galvanisch getrennte Mittelspannungsnetze (10 kV und 20 kV) mit unterschiedlichen Sternpunktbehandlungen (Nospe, Respe mit Pulsortung, Respe mit Kurzzeiterdung). Versorgt werden durch NEW Netz insgesamt 4 870 Ortsnetz- und Kundenstationen in einem rund 1 200 km2 großen Gebiet.
Für die Umsetzung eines Fernmonitoring- und Fernsteuerungskonzept für seine Mittelspannungsnetze suchte NEW einen Partner, der zum einen die Sicherheit bei den Mittelspannungsnetzen für städtisch geprägte Netze mit Innenstadtbereichen und Industrieansiedlungen gewährleisten kann. Zum anderen müssen sehr ländlich geprägte Netze mit geringer Lastdichte, aber gleichzeitig sehr hoher Stromeinspeisung aus erneuerbaren Energien gesichert werden.
Wichtig waren der NEW Beratungskompetenz und Produkte mit einer hohen Expertise in Fehleralgorithmen für die verschiedenen Netztypen und die Fähigkeit, ein gemeinsames Fernwartungskonzept für alle Netztypen etablieren zu können.

Ebenfalls klare Vorgabe von NEW Netz: Die verbaute Hardware sollte durch Monteure und Servicemitarbeiter leicht und verständlich zu handhaben sein. Zudem war gefordert, dass die eingesetzten Geräte die Richtung für die Kurz- und Erdschlusserfassung darstellen können und die Möglichkeit einer Pulsortung besteht.

Komplexe Spezifikation erfordert Expertise in Hard- und Software

Mit der Horstmann GmbH fand der Netzbetreiber einen mittelständischen Partner in der Region, dessen Hauptaugenmerk seit mehr als 70 Jahren der Mittelspannungstechnik gilt. Das Unternehmen stellt Kurz- und Erdschlussanzeiger, Spannungsprüfer und -prüfsysteme sowie Erdungsvorrichtungen und passendes Zubehör her. Die Tatsache, dass das Unternehmen zum einen seit Jahren in die eigene Forschung und Entwicklung investiert und gleichzeitig über eine hohe Fertigungstiefe an ihren Produktionsstätten in Deutschland verfügt, war ein wichtiges Argument für NEW Netz, Horstmann mit der komplexen Aufgabe zu betrauen.
Der Netzbetreiber definierte im Lastenheft unter anderem die schnelle und sichere Eingrenzung eines Fehlerortes im Mittelspannungsnetz durch Fernübertragung gerichteter Kurzschluss- beziehungsweise Erdschlussmeldungen. In einem weiteren Schritt sollte der Ausbau des Leitsystems auf Basis dieser Meldungen vorgenommen werden, um eine vollautomatische Fehlerorteingrenzung und Wiederversorgung zu ermöglichen. Die Leistungsmesswerte P und Q sollten zur vollständigen lastflussmäßigen Definition eines Knotens erfasst werden, um eine Zustandsschätzung des Versorgungsnetzes abgeben zu können. Weiteres
Thema auf der Agenda: Das Spannungsmonitoring war mit einer Gesamtfehlertoleranz von <1 % umzusetzen. Basierend darauf sollte zum einen die Verifizierung der theoretischen Netzberechnungsergebnisse möglich sein, zum anderen eine Spannungsbandoptimierung durch Weitbereichsregelung oder Blindleistungssteuerung (lokal) realisiert werden können. Auch erwartete
NEW Netz von ihrem Partner Horstmann, dass die Spannungsmessung ohne Kalibriervorgänge im Feld auskommt.

Umgebungsparameter erfordern besonderes Augenmerk

Gefordert wurde ein Kurzschlussanzeiger für alle Anwendungen. Es sollte für eine einfache Anwendbarkeit, eine geringe Ersatzteilkomplexität und Ersatzteilhaltung sorgen. Gleichzeitig wollte man bei NEW Netz damit ein durchgängiges Anzeige-, Bedien- und Parametrierkonzept über alle Netzgebiete hinweg etablieren.
Mit Blick auf die Komplexität der Aufgabe entschied man sich bei Stationen ohne Fernmeldeanschluss für den Einsatz des Kurzschluss-Richtungs- und Erdschluss-Richtungsanzeigers Sigma D++, der softwareseitig auf die von NEW geforderten Werte eingestellt wurde. Aufgrund dieser individuellen Einstellung führt der Netzbetreiber diese Geräte inzwischen unter dem Namen Sigma D++ »NEW Netz«.
Bei Stationen mit Fernmeldeanschluss lag der Fokus dagegen auf dem hochgenauen Spannungsmonitoring. Aus diesem Grund entschied sich der Netzbetreiber für den Einsatz des Kurzschluss-Richtungs- und Erdschluss-Richtungsanzeigers ComPass B 2.0, der zusätzlich mit resistiven Teilern kombiniert wird und so für eine genaue Spannungserfassung sorgt.
Die Kombination dieser Geräte ist für die standardisierten Mittelspannungsstationen der NEW Basis für ein tragfähiges Fundament fernwirktechnischer Ausrüstung.
Das entwickelte Konzept einer Parametrierung vor Ort, über eine geeignete Schnittstelle, sowie die Option auf Fernparametrierbarkeit via Netzwerkschnittstelle zu ermöglichen, wurde umgesetzt. Dabei wurden Übertragung und Parametrierung getrennt. Zusätzlich war im Lastenheft folgende Anforderung definiert: Die Verantwortung für eine stetige Updatefähigkeit sowie Inbetriebnahmeunterstützung beim Datenpunkttest durch ein teilautomatisiertes Senden von Meldung und Messwerten.
Wichtig für NEW: Das Datenformat sollte ebenso frei wählbar sein, wie die physikalischen Nebenbedingungen (Vorlauf- und Nachlaufzeiten). Von beidem versprach sich NEW die optimale Interoperabilität mit der Fernwirktechnik und weiteren Sensoren am Bus (Niederspannungsmessgeräte, PowerQuality, Ront, etc). Als serielle Kommunikationsschnittstelle wurde RS485 über Modbus RTU festgelegt. Diese wurde auch deshalb gewählt, um die Geräte nicht in den Scope für die ISO 27001 einbeziehen zu müssen.

Fazit

Energieversorger, die ihre Netze stabil und sicher betreiben möchten, werden in Zukunft mehr und mehr auf Fernsteuerungskonzepte angewiesen sein. Um vor allem der aus demografischem Wandel und Digitalisierung resultierenden zunehmenden volatilen Belastung der Mittelspannungsnetze gerecht zu werden und schnell auf Netzunterbrechungen reagieren zu können, ist eine
individuelle Kombination aus Hard- und Software notwendig. Zudem wird es zunehmend wichtiger, städtisch geprägte Netze, Innenstadtbereiche, Industrieansiedlungen und nicht zuletzt Netze im ländlichen Raum mit ihrer zunehmenden Stromeinspeisung aus erneuerbaren Energien in der Gesamtschau zu betrachten und dafür tragfähige Konzepte zu etablieren.

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