A A A
| Sitemap | Kontakt | Impressum | Datenschutz
ETZ Logo VDE Verlag Logo

Dezentrale Energieerzeugungsanlagen schützen und überwachen

Bild 1. Das Grid Measurement and Protection Modul GMP 232 wird in das M1-Automatisierungssystems integriert

Bild 2. Intelligente, dezentrale Energieerzeugungseinheiten übernehmen im Verteilnetz Aufgaben der zentralen Betriebsführung

Bild 3. Dezentrale Funktionen des Netzmanagements: Intelligente Energieerzeugungsanlagen mit eigenen Überwachungs- und Schutzfunktionen

Bild 4. Effizient und kostensparend: Mit dem GMP 232 werden Überwachungs- und Schutzfunktionen in die Steuerung integriert

Erneuerbare Energien liefern weder konstant noch kontinuierlich Strom. Das unterscheidet sie von Großkraftwerken. Je größer der Anteil erneuerbarer Energien im Netz wird, desto wichtiger wird es, dass auch entsprechende Kleinkraftwerke aktiv zur Netzstabilisierung beitragen. Um die Komplexität des Netzmanagements zu reduzieren, müssen diese Anlagen zukünftig Schutzaufgaben selbstständig übernehmen. Mit dem Grid Measurement and Protection Modul stellt Bachmann Electronic nun die passende Lösung bereit.

Im herkömmlichen Sinn erfolgt die elektrische Energieversorgung von zentraler Stelle aus in Richtung Endverbraucher. Dazu werden Energieversorgungsunternehmen (EVU) von einigen großen Kraftwerksanlagen, die weitgehend konstant Energie erzeugen, beliefert. In den Leitwarten der EVU wird sichergestellt, dass die Balance zwischen Verbrauch und Erzeugung aufrecht erhalten bleibt und sich Spannung und Frequenz im Netz nur tolerierbar ändern.

Erneuerbare Energien erfordern neue Netzkonzepte
Nun sind in den letzten Jahren immer mehr Kleinkraftwerke entstanden, die Strom aus erneuerbaren Energien erzeugen, wie Windenergieanlagen, Photovoltaik- oder Biogas-Anlagen. Ihr Nachteil ist, dass sie beispielsweise aufgrund von Witterungseinflüssen ihre Energie nicht ebenso planbar liefern, wie dies bei einem klassischen Großkraftwerk der Fall ist. Dadurch ist die Vorhersagbarkeit der zur Verfügung stehenden Energie nur noch zum Teil gegeben. Infolge dessen sind neue Konzepte erforderlich, um die Netzstabilität erhalten zu können.
Für das Energieversorgungsnetz bedeutet das, dass die Intelligenz neu organisiert werden muss, und zwar sowohl auf Verbraucher- als auch auf Erzeugerseite. Letztgenannte müssen in diesem Zusammenhang einzelne Komponenten, zum Beispiel Schalteinrichtungen, Transformatoren oder dezentrale Energieerzeugungsanlagen, mit mehr Intelligenz ausstatten. Dadurch werden sie in die Lage versetzt, lokale Steuerungsaufgaben zu übernehmen und vorverdichtete Daten an eine übergeordnete Leitstelle weiterzuleiten oder von dort zu empfangen. Als Ergebnis reduziert sich die Komplexität, notwendige Reaktionszeiten werden verkürzt und die Versorgungssicherheit steigt.

Vorteile für Energieerzeuger und Verbraucher
Durch die Verlagerung von Aufgaben des Energiemanagements, weg von einer zentralen Energieleitstelle hin zu dezentralen Versorgungseinheiten, ergeben sich für Verbraucher wie für Netzbetreiber neue Möglichkeiten (Bild 2). So kann zum Beispiel ein Landwirt, der ein Blockheizkraftwerk (BHKW) betreibt, einen Großteil seiner benötigten Energie selbst erzeugen. Er profitiert von der Reduktion der elektrischen Anschlussleistung und spart Kosten für den Netzausbau beim Energieversorger. Werden solche dezentralen Energiesysteme auch im Inselbetrieb, sprich autonom, betrieben, erhöht sich die Robustheit des Versorgungsnetzes (Bild 3). So gewährleisten dezentral gesteuerte Einheiten eine erhöhte Versorgungssicherheit der Verbraucher sowohl im lokalen Netz als auch im Netzverbund: Bei einem Fehler im übergeordneten Netz kann sich das autonome Netz selbst versorgen und sich vom übergeordneten entkoppeln; bei einem Fehler im lokalen Netz kann das übergeordnete durch schnelles Isolieren des lokalen Netzes vor größeren Schäden bewahrt werden.

Netzmessung und -überwachung
Mit seinem M1-Automatisierungssystem bietet Bachmann Electronic Gesamtlösungen im Bereich des Schutzes, der Steuerung und der Automatisierung von dezentralen Energieerzeugungsanlagen. Wesentliches Merkmal sind dabei die auf dem M1-Automatisierungssystem implementierten Funktionalitäten, die dem Netzbetreiber eine manipulationssichere, zuverlässige Betriebsführung ermöglichen. Mit dem implementierten MMS-Server (Manufacturing Message Specification) werden die gesammelten Daten des Kleinkraftwerks zusammengefasst. Sie können mit dem in der Normenreihe DIN EN 61850 beschriebenen Fernwirkprotokoll für Energieanlagen dem übergeordneten Monitoringsystem zur Verfügung gestellt werden. Über eine erweiterte Rechteverwaltung kann dabei jeder Zugriff, abhängig vom jeweiligen Client, erlaubt, abgelehnt und/oder protokolliert werden.

Schutzeinrichtungen sorgen dafür, dass Anlagen bei Netzfehlern, wie Über- bzw. Unterspannung oder Über- bzw. Unterfrequenz, vom Netz getrennt werden können. Diese Abschaltungen müssen jedoch differenziert und schnell erfolgen, zum Beispiel abhängig davon, ob das jeweilige Kraftwerk zur Stabilisierung des Netzes beiträgt oder möglicherweise selbst der Auslöser der Störung ist.
Mit dem Netzmessungs- und Überwachungsmodul GMP232 von Bachmann (Bild 1) lassen sich nun direkt an der Sammelschiene des Kleinkraftwerks Spannung, Strom, Frequenz, Leistung und Oberwellengehalt (Power Quality) erfassen und analysieren. Die Daten des vollständig in das M1-Automatisierungssystem integrierten GMP-Moduls können so unmittelbar und hochperformant weiterverarbeitet werden, zum Beispiel für die Visualisierung oder für Trendaufzeichnungen, oder sie können weiteren Tasks zugeführt werden. Für die Anwendung macht es keinen Unterschied, ob das Modul dabei direkt auf dem Bus der Haupt-CPU steckt oder ob es über den Bachmann-Fastbus abgesetzt ist (Bild 4).

Netzmessung mit dem Modul
Die Messwerte werden über Strom- und Spannungseingänge erfasst. Dabei kommen für die Stromeingänge üblicherweise 1-A- oder 5-A-Stromwandler zum Einsatz. Die Spannungseingänge werden direkt an Nennspannungen bis zu AC 690 V angeschlossen. Die Eingänge werden dabei mit 20 kHz abgetastet, was einer Auflösung von 50 µs bzw. einer Genauigkeit von 0,1 % Full Scale entspricht.
Ein digitaler Signalprozessor (DSP) direkt auf dem Modul wertet die Eingangssignale aus und stellt sie vorverarbeitet dem System zur Verfügung. Dabei stellt der DSP die Daten, mit Ausnahme der Oberwellen-Werte, zur Verfügung. Bei einem 50-Hz-System stehen so alle 20 ms neu berechnete Parameter bereit (Oberwellen-Werte: 200 ms).

Umfangreiche Überwachungsfunktionen
Das GMP-Modul verknüpft die Messwerterfassung mit der Netzüberwachung und Aufgaben des Netzmanagements. Dazu sind auf ihm zwei Relais mit einer Schaltleistung von 2 A integriert. Diese können durch Oder-verknüpfte Überwachungsfunktionen geschaltet werden. Das Modul arbeitet hierbei komplett autonom: Die Überwachungsfunktionen sind selbst dann aktiv, wenn die CPU nicht im Run-Modus ist.
Folgende Überwachungsfunktionen stehen dem Anwender zur Verfügung:
• Fault Ride Through (FRT): Hierbei handelt es sich um eine zeitabhängige Unterspannungs-Überwachungsfunktion. Sie wird dazu verwendet, ein vorzeitiges Trennen des Generators bei Netzfehlern zu verhindern. Bricht die Spannung auf der Netzseite ein, muss der Generator anhand einer vordefinierten Spannungs-/Zeit-Kennlinie weiter Energie ins Netz einspeisen können. Nur wenn diese Kennlinie überschritten wird, kann der Generator vom Netz genommen werden.
• Spannungs- und Frequenzüberwachung: Sie zeigt ein Über- bzw. Unterschreiten von Grenzwerten an und liefert damit wichtige Informationen zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität.
• Asymmetrie-Überwachung: Durch diese Überwachungsfunktion werden Schieflasten oder einphasige Netzausfälle erkannt. So lässt sich das Lastmanagement optimieren und der Generator wird vor Schäden durch Asymmetrien bzw. Ausgleichsspannungen im Drei-Phasen-Netz geschützt.
• Geschwindigkeit der Frequenzänderung: Ändert sich die Frequenz schneller als spezifiziert, wird ein Alarm generiert. Der Betreiber kann mit diesen Informationen die Stabilität des Netzes bewerten.
• Vektor-Sprung: Dieser wird verursacht, wenn eine Energieerzeugungsanlage eine plötzliche Last¬änderung erfährt. Eine Ursache hierfür kann sein, dass ein Generator plötzlich in den Inselbetrieb geschaltet wird. Diese Überwachungsfunktion ermöglicht es, den Generator schnell an die geänderten Bedingungen anzupassen.
• Integrierte Fehlerauswertung: Das Software-Oszilloskop im Device Manager des Bachmann Solution Center macht den zeitlichen Verlauf der Vorgänge sichtbar. In bis zu 15 Messkanälen können alle vom DSP des GMP-Moduls erfassten Datenpunkte, mit Ausnahme der Oberwellen-Werte, ausgelesen und einer erweiterten Fehleranalyse zugeführt werden. Jeder dieser Kanäle kann Messwerte mit einer maximalen Abtastrate von 100 µs für 4 s aufzeichnen. Zusätzlich speichert das GMP-Modul, unabhängig von der Haupt-CPU, in einem Logbuch bis zu 1 000 Einträge permanent.
• Mikrosekundengenaue Zeitsynchronisierung: Die Zeit auf dem GMP-Modul= wird laufend mit der Echtzeituhr auf der Haupt-CPU synchronisiert. Ist diese via Precision Time Protocol (PTP) mit einem Zeit-Server synchronisiert, ist eine lückenlose, mikrosekundengenaue Zuordnung der Überwachungsereignisse garantiert.

Gesteigerte Effizienz, reduzierte Kosten
Die Performance des M1-Automatisierungssystems erlaubt die kosten- und prozessoptimale Implementierung von mess-, regelungs- und steuerungstechnischen Abläufen und Auswertungen bis hin zur Netzüberwachung. Das neue Grid Measurement and Protection Module GMP232 ist dazu vollständig in das System integriert. Zusammen mit anderen Anlagenparametern liefert es differenzierte Entscheidungskriterien, um auch die erhöhten Anforderungen an die einzelne Anlage während eines Netzfehlers zu beherrschen und einen stabilen Betrieb des Verteilnetzes zu ermöglichen.

Der Beitrag als pdf

Autor: Dipl.-Ing. Frank Spelter ist Leiter der Unternehmenskommunikation bei der Bachmann Electronic GmbH in Feldkirch, Österreich.