Aufbau von smarten Ortsverteilnetzen

Die Verteilung elektrischer Energie basierte viele Jahrzehnte auf einem einfachen Prinzip: Einige große Kraftwerke erzeugen elektrische Energie, und die Netze verteilen diese über verschiedene Spannungsebenen bis zum Verbraucher. Für die aktuell stattfindende Energiewende mit sehr vielen dezentralen Erzeugern, die auf den verschiedensten Ebenen einspeisen, sind diese Einbahnstraßennetze nicht ausgelegt (Bild 1). Gerade bei den Ortsverteilnetzen ist deswegen ein Umbau dringend notwendig – die smarte Technik hierfür liefert der Spezialist für Sicherheits-Schnittstellen in Energieverteilanlagen Efen.

 

Bild 01: Im Rahmen der Energiewende speisen immer mehr Anlagen elektrische Energie in die Verteilnetze ein, die dazu aufgerüstet werden müssen.
(Quelle: shutterstock.com_CK Foto_ 2331544909)

 

Die Vorgaben in Deutschland sind klar: Um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren, soll der Anteil erneuerbarer Energieträger an der elektrischen Stromerzeugung bis 2030 auf mindestens 80 % steigen. Die Leistung pro Erzeuger in Windenergie- und Photovoltaikanlagen sind im Vergleich zu Kern-, Kohle- oder Gaskraftwerken klein. Deswegen gibt es eine deutlich größere Anzahl an dezentralen Erzeugern. Diese speisen auf unterschiedlichen Ebenen und an verschiedenen Stellen in die Netze ein. Als weitere Schwierigkeit kommt die unregelmäßige Erzeugung hinzu – nachts arbeiten Photovoltaikanlagen nicht, und bei Windstille erzeugen Windenergieanlagen keinen Strom. Auch auf der Verbraucherseite kommen neue Herausforderungen auf die Verteilnetze zu. Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen und die Stromversorgung von auf Wärmepumpen basierenden Heizungen erhöhen den Bedarf. Da sowohl die Einspeisung als auch der Strombedarf sich über den Tagesverlauf ändern, können stark schwankende Auslastungen in den Verteilnetzen auftreten.

 

Ertüchtigung der Ortsverteilnetze

Die Netze für Hoch- und Mittelspannung sind in der Regel gut überwacht. Anders sieht es dagegen auf der Niederspannungsebene aus. Hier sind die Netze vom Ortsnetztransformator bis zum Verbraucher häufig nicht mit entsprechender Messtechnik ausgerüstet. Störungen durch Spannungsschwankungen werden dann erst entweder beim Verbraucher oder auf der Mittelspannungsebene festgestellt. Im Rahmen der Energiewende müssen die Ortsnetze deswegen aufgerüstet werden, um dem Betreiber des Ortsnetzes jederzeit einen umfassenden Überblick zu ermöglichen.

In Deutschland gibt es fast 900 Netzbetreiber, die über insgesamt rund 600 000 Ortsnetzstationen, in denen die Mittelspannung auf Niederspannung transformiert wird, die Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen. Hier ist einer der Ansatzpunkte, um die Ortsverteilnetze mit smarter Technik auszustatten – also mit Mess-, Regel- und Kommunikationstechnik. Die elektrischen Verteilerschränke, in denen die Abzweige zu den einzelnen Verbrauchern untergebracht sind, sind der zweite Ansatzpunkt, an denen die Verteilnetze ertüchtigt werden können (Bild 2).

Ziel ist es, Angebot und Nachfrage in den Ortsnetzen intelligent miteinander zu vernetzen. Dabei steht die Versorgungssicherheit der angeschlossenen Stromkunden an erster Stelle. Dazu müssen die wesentlichen Netzparameter ständig gemessen und überwacht werden. Auf diese Weise erhält der Betreiber einen Überblick der Lastflüsse in den Verteilnetzen. Kritische Zustände werden so schnell erkannt. Der Ortsnetzbetreiber kann dadurch frühzeitig eingreifen und gezielt für Abhilfe sorgen.

 

 

Bild 02: NH-Sicherungs-Lastschaltleisten sind der ideale Ort,
um die notwendige Messtechnik in den Ortsnetzen zu installieren.
(Quelle: Efen)

 

 

Bild 03: Vorkonfektionierte NH-Sicherungs-Lastschaltleisten,
die mit Einlege- oder Kleinsignalwandlern ausgestattet sind,
lassen sich einfach installieren, ohne dass eine Anlage
modifiziert werden müsste. (Quelle: Efen)

 

 

Bild 04: Das SGIM passt in das Reservefeld in
Kabelverteilerschränken und ermöglicht die Überwachung
von 14 dreiphasigen Abgängen. (Quelle: Efen)

 

 

Herausfordernde Rahmenbedingungen

Die Rahmenbedingungen für eine smarte Messtechnik innerhalb der Ortsnetze sind herausfordernd. Um einen relevanten Teil der Ortsnetzstationen in Deutschland mit Messtechnik auszustatten, sind skalierbare Lösungen notwendig, die zu der vorhandenen Technik passen. Insbesondere bei den Verteilerschränken kommt noch hinzu, dass der vorhandene Platz oft sehr beschränkt ist. Und natürlich müssen die Lösungen auch wirtschaftlich sein, denn die Kosten für elektrische Energie sollen durch die Nachrüstung der Ortsnetze nicht übermäßig steigen.

Efen [1] bietet ein mehrstufiges Konzept mit verschiedenen Komponenten und Systemen, die für den Retrofit der Ortsnetze geeignet sind. Das Portfolio reicht von anschlussfertig vorverdrahteten Sicherungs-Lastschaltleisten mit integrierten Kleinsignal- oder Stromwandlern zum Messen aktueller Netzwerte, über MEM-1-Module zum Erfassen und Übertragen der Werte per Modbus bis hin zur komfortablen Überwachung und Visualisierung der Netzzustände in Ortsnetzstationen. Damit lassen sich in Verteilnetzen einfach und kostengünstig Messpunkte realisieren.

 

 

Einfache Integration in bestehende Anlagen

Die vorkonfektionierten NH-Sicherungs-Lastschaltleisten von Efen (Bild 3), die mit Stromwandlern oder Kleinsignalwandlern ausgestattet sind, lassen sich einfach anstelle einer vorhandenen Lastschaltleiste in die Anlage einsetzen. Da die Einbaumaße identisch sind, ist eine aufwendige Modifikation der Anlagen nicht notwendig. Die vorkonfektionierten NH-Sicherungs-Lastschaltleisten, die Ströme und Spannungen direkt in der Verteilung messen, werden als geprüftes und komplettes Einbauset geliefert. Fehler bei der Montage oder das Vergessen von Komponenten oder Anschlüssen ist dadurch ausgeschlossen. Eine anschlussfertige Klemmverbindung mittels sechspoligen oder RJ12-Stecker sorgt für eine einfache Integration in die übergeordnete Messtechnik.

Sollen die Messwerte direkt vor Ort weiterverarbeitet und digital übertragen werden, bietet Efen mit dem Messwerterfassungsmodul MEM 1 ebenfalls eine passende Lösung. Alle relevanten Daten für die Netzanalyse können so direkt ausgewertet und per Modbus übertragen werden. Da das Modul lediglich 40 mm hoch ist, findet es sowohl in Kabelverteilerschränken als auch in Ortsnetzstationen in praktisch allen Fällen einen Platz.

Das modular aufgebaute Smart-Grid-Interface-Modul (SGIM) zum Erfassen von elektrischen und physikalischen Messgrößen für Energieverteilnetze hat die gleiche Breite wie die Lastschaltleisten und passt in den Reserveplatz eines Kabelverteilerschranks (Bild 4). Mit ihm können Spannung, Strom, Netzfrequenz, Phasenwinkel sowie die Temperatur und Feuchte im Schaltschrank erfasst werden. Für Ortsnetzstationen ist auch eine Version für die Wandmontage verfügbar. Neben einem Netzteil und dem Controller des SGIM ist ein Modul für den Anschluss der Stromwandler eingebaut. Ein weiterer Steckplatz ist mit einem Kommunikationsmodul ausgestattet. Hierüber werden die Daten über Mobilfunk auf einen cloudbasierten Server übertragen. Nach Einbau und Anschluss kann sofort mit der Datenübertragung und Auswertung angefangen werden. In der Grundausstattung sind auch zwei Schuko-Steckdosen enthalten, über die bei Wartungsarbeiten zusätzliche Geräte mit Energie versorgt werden kann. Aufgrund des modularen Aufbaus lässt sich das SGIM einfach mit weiteren Messeinschüben erweitern: Hierdurch lassen sich bis zu 14 dreiphasige Niederspannungsabgänge überwachen.

 

 

Auswertung in der Cloud

Zum Angebot von Efen gehört auch eine Cloudplattform, auf der die Daten zur Auswertung zur Verfügung gestellt werden. Direkt nach der Inbetriebnahme werden sämtliche Messwerte übertragen. Die Datenübertragung erfolgt alle 15 min. Wird ein zuvor eingestellter Grenzwert überschritten, erfolgt eine zusätzliche Datenübertragung. Auf diese Weise lassen sich auch sehr kurze Leistungsspitzen detektieren. Auf der Cloudplattform kann der Anwender umfangreiche Einstellungen vornehmen. Dazu gehört auch ein Alarm-Management. So können beim Überschreiten eines Grenzwerts automatisch E-Mails verschickt werden. Um die Daten detailliert auszuwerten und zur Dokumentation abzulegen, können diese als Excel-Dateien heruntergeladen werden.

 

 

Smarte Netze eröffnen neue Möglichkeiten

Messtechnik an verschiedenen Punkten innerhalb der Ortsnetze erhöht die Transparenz. Betreiber können auf Basis der gemessenen Werte Datenanalysen erstellen, mit denen sich Verbrauchmuster – beispielsweise Lastspitzen – erkennen lassen. Damit kann dann wiederum mittels Lastmanagement die Netzlast optimiert werden, indem flexible Verbraucher, wie Wärmepumpen oder E-Autos, gezielt abgeschaltet werden. Und schließlich lässt sich mit den gewonnenen Daten die Netzplanung optimieren. Der Netzausbau lässt sich so sehr zielgerichtet und mit möglichst niedrigen Kosten realisieren.