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Elektroenergiequalität mit integrierter Ursachenanalyse sicherstellen

Bild 1. Mit dem „ibaPQU-S“ bringt Iba ein modulares System zur Messung der Energiequalität  auf den Markt

Bild 1. Mit dem „ibaPQU-S“ bringt Iba ein modulares System zur Messung der Energiequalität auf den Markt

Bild 2. Das Zusammenspiel von PQU-und TFR-System von Iba

Bild 2. Das Zusammenspiel von PQU-und TFR-System von Iba

Immer mehr dezentrale Energieerzeuger werden an das Versorgungsnetz angeschlossen. Mit Blick auf die Energiewende ist das erfreulich, hinsichtlich der Elektroenergiequalität (EEQ) bringt das jedoch oftmals Nachteile mit sich. Hinzu kommen beim Stromabnehmer vorhandene Verbraucher, die die EEQ ebenfalls beeinträchtigen. Zur normgerechten Erfassung der Energiequalitätsparameter präsentiert die Iba AG nun ein Messmodul, das zusammen mit einem Aufzeichnungssystem die erfassten Qualitätsdaten mit den Anlagen- und Prozessdaten in Zusammenhang bringt. Dadurch wird eine Ermittlung von Ursachen möglich – ein weiterer Schritt auf dem Weg zur „Smart Factory“.

„Anlagen und Verbrauchsgeräte sind so zu betreiben, dass Störungen anderer Kunden und störende Rückwirkungen auf Einrichtungen des Elektrizitätsversorgungsunternehmens oder Dritter ausgeschlossen sind.“ Diesen Anspruch stellt der Energiequalitäts­experte im Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnologie (VDE) Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Mombauer an Netzbetreiber, Energieerzeuger sowie Abnehmer elek­trischer Energie – eine besondere Herausforderung vor dem Hintergrund der Energiewende. Denn die dezentrale Energieerzeugung und das damit verbundene schwankende Angebot an elektrischer Energie aus regenerativen Quellen beeinflusst die Stabilität des Energienetzes und damit auch eine durchgängige Energieerzeugung. Weitere Belastungen der Netzqualität und -stabilität kommen direkt von den Stromverbrauchern selbst: In der produzierenden Industrie nehmen die leistungselektronischen Anlagen beispielsweise für frequenzgeregelte Antriebe auch im Höchstleistungsbereich immer weiter zu. Diese Verbraucher belasten das Netz ­wegen der schaltenden Arbeitsweise ihrer leistungselek­tronischen Ventile, wie IGBT oder Thyristoren, mit von der Sinusform abweichenden Strömen. Durch die Netzreaktanzen entstehen durch den Oberschwingungsanteil der Ströme Netzrückwirkungen, die zu „Verschmutzungen“ der Netzspannungen führen, und die Elektroenergiequalität (EEQ) im Versorgungsnetz beeinträchtigen. Durch die Dezen­tralisierung der Energieerzeugung werden diese negativen Effekte noch verstärkt.
Schlechte Netzqualität stellt in industriellen Umgebungen ein Problem dar, wenn dadurch empfindliche elek­tronische Geräte ausfallen oder Schutzabschaltungen vorgenommen werden. Ungeplante Stillstandzeiten, Produktionsausfälle, hohe Energiekosten oder sogar Bußgelder wegen „Verunreinigung“ der Energieversorgung lassen sich vermeiden, wenn die Ursachen für andauernde und spontane Ereignisse für Netzqualitätsprobleme ­ermittelt werden können.
Einen Lösungsansatz bietet die neue Moduleinheit zur Messung der Energiequalität „ibaPQU-S“ der Iba AG. Das Modul ist zentraler Bestandteil eines Systems zur Überwachung der Netzqualität sowie zur Analyse von Störungen. Mit ihm lassen sich alle dafür relevanten Mess­aufgaben zur Erfassung von Strom, Spannung und Frequenz durchführen. Dazu ist das Modul in eine übergeordnete Prozessmesstechnik integriert, wodurch sich die Elektroenergiequalitätsmessung in Zusammenhang mit den Anlagen- und Prozessdaten kombinieren lässt. „Mit ,ibaPQU-S‘ kann der Anlagenbetreiber erkennen, in welchem Betriebszustand seine Anlage war, als bestimmte Veränderungen im Netz eintraten. Die Ursachenanalyse für durch den Prozess ausgelöste Netzschwankungen ist somit jederzeit möglich“, erklärt Oliver Soukup, Entwicklungsleiter bei der Iba AG.

Transiente Störschreiber um EEQ-Messung ergänzt
Relevant ist das Messmodul für verschiedene Anwendungsszenarien in industriellen Anlagen und in der elektrischen Energietechnik. Stahlwerke oder Hüttenbetriebe sind große Energieabnehmer, die auf der Mittel- und Hochspannungsebene Energie beziehen. Hohe, stoßartige Lasten durch den Anlauf und den Betrieb von Großmaschinen, wie Walzwerkshauptantriebe oder Lichtbogenöfen, erzeugen Oberschwingungen und unerwünschte Blindleistung. Teilweise speisen die Energiegroßabnehmer auch in das Netz ein, weil sie im Werk selbst eigene Kraftwerke betreiben. Ob Energieentnahme aus oder Einspeisung in das Netz, die Anlagenbetreiber haben ein Interesse daran, die Netzqualität zum Schutz der eigenen Anlagen zu stabilisieren und zu steigern und setzen aus diesem Grund entsprechende Messgeräte ein. Darüber hinaus machen immer stringenter werdende Anforderungen an die Elektroenergiequalität den Einsatz eines Energiequalitäts-Messgeräts erforderlich.
Eine weitere Zielgruppe für EEQ-Messsysteme sind Anlagenbauer, beispielsweise Hersteller von HGÜ-Anlagen oder von Anlagen zur aktiven und passiven Kompensa­tion von Blindleistung und Oberschwingungen. Für ihre Kunden sind sie angehalten, Anlagen nach den geltenden Vorschriften anzubieten, die störende Rückwirkungen ausschließen. In der HGÜ-Technik kommen die Messsysteme der Iba AG seit vielen Jahren weltweit als transiente Störschreiber (TFR, Transient Fault Recorder) zum Einsatz. Im Gegensatz zu herkömmlichen TFR-Geräten sind sie nicht als „Black-Box“, sondern modular und erweiterbar aufgebaut. Damit werden sie unterschiedlichen Anforderungen sowohl im Umfeld der industriellen Auto­matisierung als auch im Einsatzgebiet als transienter Störschreiber gerecht.
Kernelement der messtechnischen Anwendung ist dabei das Prozessdaten-Aufzeichnungssystem „ibaPDA“. Als externes, autarkes Messsystem genügt es den Anforderungen bei der Erfassung und Aufzeichnung von Störungen in energietechnischen Anlagen. Dabei werden alle relevanten Größen zeitlich hoch aufgelöst und synchron erfasst und im Fehlerfall in Dateien aufgezeichnet. In diesem Zusammenhang können mehrere potenzielle Fehlerfälle als Trigger für die Aufzeichnung spezifiziert werden. Die anschließende Analyse der Messdateien erfolgt mit der separaten, kostenfrei lizenzierten Analysesoftware „ibaAnalyzer“. Mit der neuen Power Quality Unit lässt sich nun die TFR-Funktionalität des Iba-Systems um die Messung von EEQ-Parametern ergänzen.

Elektroenergiequalität im Zusammenhang mit dem technischen Prozess
„ibaPQU-S“ ist die Zentraleinheit eines modularen Systems, das aus bis zu vier Messmodulen besteht, mit denen die Zeitverläufe der relevanten Ströme und Spannungen erfasst werden. Sie ist geeignet für DC-Netze, für Netze mit 50 Hz und 60 Hz sowie für spezielle Netze, zum Beispiel das Bahnnetz mit 16,7 Hz. Das System misst netzsynchron Rohwerte, wie Strom, Spannung und Frequenz, und berechnet intern daraus die für die Netzqualität relevanten Kennwerte. „Die netzsynchrone Abtastung ist erforderlich, um die Genauigkeitsanforderungen der DIN EN 61000-4-30 nach Klasse A zu erfüllen“, so O. Soukup. Es werden Signale berechnet, wie Frequenz, Effektiv- und Spitzenwerte, Flicker und Crest-Faktor sowie harmonische und interharmonische Oberschwingungen, Phasenlage oder Klirrfaktor. Auf Basis dieser Daten lassen sich Leistungsflüsse und Ereignisse analysieren und auch die gesamte Netzdynamik überwachen. „So kann die Netzqualität effizient überwacht und gleichzeitig die Qualität und Verfügbarkeit des Netzes gesteigert werden“, ergänzt der Entwicklungsleiter.
Im Gegensatz zu autonomen Po­wer-Quality-Messgeräten ist die Messeinheit „ibaPQU-S“ über das Prozessdatenerfassungssystem „iba­PDA“ in die komplette Anlagen- und Prozessüberwachung integriert. Die Elektroenergieparameter lassen sich auf diese Weise in Zusammenhang mit der Betriebsweise einer Anlage bringen. Durch die synchrone Messung der Elektroenergieparameter mit technischen Größen, wie Reglersignalen oder Betriebszuständen von industriellen Prozessen, können Anlagenbetreiber beispielsweise nachweisen, ob und inwiefern ihre Anlage das Stromnetz negativ beeinflusst hat oder mögliche Schwankungen der Frequenz beobachten.
Moderne Leit- und Automatisierungstechnik basiert auf digitalen Verarbeitungsgeräten. Daher liegen die meisten Signale im Prozess bereits in digitaler Form vor. Jedoch befinden sich diese in ganz unterschiedlichen Quellen und müssen unterschiedlich erfasst werden. Die Erfassung dieser Signale geschieht nach dem Abtastprinzip mit einem zeitsynchronen Abfragetakt. Die Elektroenergieparameter werden mit „ibaPQU-S“ jedoch netzsynchron abgetastet. Um die netzsynchronen mit den zeitsynchronen Prozessgrößen in Einklang zu bringen, wurde bei der Moduleinheit eine dreistufige Vorgehensweise implementiert: Zunächst werden die Rohwerte für Strom und Spannung netzsynchron gemessen und anschließend in Kennwerte für die Netzqualität umgerechnet. Schließlich wird eine Neuabtastung (resampling) der Rohwerte mit dem zeitsynchronen Abfragetakt des übergeordneten Prozessdatenerfassungssystems vorgenommen.
Die Zentraleinheit kann die berechneten Netzqualitätsparameter – auch zusammen mit den Rohwerten und weiteren Messwerten anderer Module – mittels ­einer bidirektionalen Lichtwellenleiterverbindung an das Messwert-Erfassungssystem übertragen. Dort werden die Werte in Messdateien und Datenbanken gespeichert. In „ibaPDA“ lassen sich beliebige Trigger konfigurieren, um ereignisbezogene Messungen auszulösen und Störungen zu erfassen. Für eine detaillierte Analyse werden die Daten mit Vor- und Nachlauf entsprechend hochaufgelöst erfasst. Störungen können zudem durch eine Alarmfunktion angezeigt werden. Mit „ibaAnalyzer“ lassen sich Langzeit-Trendings sowie übersichtliche Reports erstellen, die beispielsweise als Nachweis zur Einhaltung der DIN EN 50160 dienen, welche die Grenzwerte für die Qualitätsparameter festlegt.

Fazit
Insgesamt stellt die Messeinheit ein normgerechtes, ­modulares System zur Überwachung und Analyse von Energienetzen dar. Sie bildet eine Grundlage zur Steigerung der Netzqualität und der Verfügbarkeit der Netze auf Basis genauer Kenntnis und Analyse aller maßgeblichen Qualitätsparameter. Als Klasse-A-Messgerät nach DIN EN 61000-4-30 kann „ibaPQU-S“ für vertragsrelevante Messungen zu Abrechnungszwecken eingesetzt werden. Die Genauigkeit wurde in einer Typprüfung in einem zertifizierten Kalibrierlabor nachgewiesen. (ih)

Dr. Ulrich Lettau ist Vorstandsvorsitzender der Iba AG in Fürth. iba@iba-ag.com

Dr. Ulrich Lettau ist Vorstandsvorsitzender der Iba AG in Fürth. iba@iba-ag.com