„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 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 mehr zu. Diese Verbraucher belasten das Netz wegen der schaltenden Arbeitsweise ihrer leistungselektronischen Ventile wie IGBTs oder Thyristoren mit stark 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.
Modul zur Überwachung der Netzqualität
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 können vermieden werden, 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. Das Modul ist zentraler Bestandteil eines Systems zur Überwachung der Netzqualität sowie zur Analyse von Störungen. Es realisiert alle dafür relevanten Messaufgaben zur Erfassung von Strom, Spannung und Frequenz. Es ist dabei 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 der Iba AG.
Transiente Störschreiber für EEQ-Messung
Relevant ist IbaPQU-S 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 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 entsprechende Messgeräte aus diesem Grund ein. Darüber hinaus machen immer stringenter werdende Anforderungen an die Elektroenergiequalität den Einsatz eines Energiequalitäts-Messgerätes notwendig. 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 werden die Iba-Messsysteme seit vielen Jahren weltweit als transiente Störschreiber (TFR, Transient Fault Recorder) eingesetzt.
Im Gegensatz zu herkömmlichen TFR-Geräten sind die Iba-Störschreiber nicht als Black-Box aufgebaut. Das System ist modular und erweiterbar aufgebaut, um unterschiedlichen Anforderungen sowohl im Umfeld der industriellen Automatisierung als auch im Einsatzgebiet als transienter Störschreiber gerecht zu werden. Kern der messtechnischen Anwendung ist dabei das Prozessdaten-Aufzeichnungssystem IbaPDA. Als externes, autarkes Messsystem genügt es den hohen Anforderungen bei der Erfassung und Aufzeichnung von Störungen in energietechnischen Anlagen. Alle relevanten Größen werden zeitlich hoch aufgelöst und synchron erfasst und im Fehlerfall in Dateien aufgezeichnet. Dabei können mehrere potentielle Fehlerfälle als Trigger für die Aufzeichnung spezifiziert werden. Die anschließende Analyse der Messdateien erfolgt mit der kostenfrei lizensierten Analysesoftware IbaAnalyzer. Mit dem Power Quality Modul IbaPQU-S lässt sich die TFR-Funktionalität des Systems jetzt um die Messung von EEQ-Parametern ergänzen.
Elektroenergiequalität und der technische Prozess
Das Modul ist die Zentraleinheit eines Systems, das aus bis zu vier Messmodulen besteht, und mit denen die Zeitverläufe der relevanten Ströme und Spannungen erfasst werden. Es ist geeignet für DC-Netze, für Netze mit 50 und 60Hz sowie für spezielle Netze wie beispielsweise das Bahnnetz mit 16,7Hz. 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 Norm IEC 61000-4-30 nach Klasse A zu erfüllen“, so Oliver Soukup. Es werden Signale berechnet wie Frequenz, Effektiv- und Spitzenwerte, Flicker und Crestfaktor sowie harmonische und interharmonische Oberschwingungen, Phasenlage oder Klirrfaktor. Auf Basis dieser Daten lassen sich Leistungsflüsse und Ereignisse analysieren und sogar die gesamte Netzdynamik überwachen. „So kann die Netzqualität effizient überwacht werden und gleichzeitig die Qualität und Verfügbarkeit des Netzes gesteigert werden“, ergänzt der Entwicklungsleiter.
Im Gegensatz zu autonomen Power-Quality-Messgeräten ist die Messeinheit 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 z.B. 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 erfolgt 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 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 IbaPDA übertragen. Dort werden die Werte in Messdateien und Datenbanken gespeichert und es 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 Langzeittrends sowie übersichtliche Reports erstellen, die beispielsweise als Nachweis zur Einhaltung der Norm EN50160 dienen, welche die Grenzwerte für die Qualitätsparameter festlegt.
Normgerechte Messung Elektroenergiequalität
Die Messeinheit IbaPQU-S ermittelt die Kennwerte der Norm EN50160. Die Berechnung dieser Kennwerte erfolgt nach den Vorgaben der IEC 61000-4-30. Diese Norm definiert Messmethoden, um für den Anwender eine vergleichbare Basis zu schaffen. Geräte unterschiedlicher Hersteller, die nach dieser Norm arbeiten, müssen näherungsweise gleiche Messergebnisse liefern. Die Norm unterscheidet drei Messgeräte-Klassen: Klasse S-Messgeräte sind ausreichend für die Ermittlung statistischer Kenngrößen, wohingegen Klasse A-Messgeräte für vertragsrelevante Messungen zu Abrechnungszwecken eingesetzt werden können. Klasse B ist für Neuentwicklungen nicht anzuwenden. Das IbaPQU-S setzt die Norm nach Klasse A um. Die Genauigkeit wurde in einer Typprüfung in einem zertifizierten Kalibrierlabor nachgewiesen. Somit steht ein normgerechtes, modulares System zur Überwachung und Analyse von Energienetzen zur Verfügung und bildet die Grundlage zur Steigerung der Netzqualität und der Verfügbarkeit der Netze auf Basis genauer Kenntnis und Analyse aller maßgeblichen Qualitätsparameter.
