Power Quality Kundentag 2014, Zürich. Power Quality Normen und Netzqualität in der Praxis Dr. Michael Schwenke, IC SG EA PRO D2

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1 Power Quality Kundentag 2014, Zürich Power Quality Normen und Netzqualität in der Praxis Dr. Michael Schwenke, IC SG EA PRO D2 Dr. Schwenke, Siemens AG

2 Begriffe und Basis-Standards Power Quality = Spannungsqualität Voltage Quality Monitoring Measurement methods = Messverfahren Voltage charateristics = Merkmale der Spannung Grenzwerte Page 2

3 Motivation für die Netzqualitäts-Messung Durch Implementierung der IEC Klasse A Messverfahren Herstellerübergreifend vergleichbare Messwerte Lückenlose Erfassung und Speicherung von Versorgungszuverlässigkeit und Spannungsqualität Nachweis der Einhaltung vorgegebener Emissionsgrenzwerte an der Übergabestelle zwischen öffentlichem Netz und Kunden Analyse von Problemen (Überschreitung von Grenzwerten), Ableitung von Maßnahmen Page 3

4 Ausgangsbasis für die Verträglichkeitsnormung in Europa Quelle: Dr. Meyer, TU Dresden Page 4

5 Übersicht der Normenreihe Quelle: Dr. Meyer, TU Dresden Page 5

6 Verträglichkeitspegel IEC Ed. 2 (2002) Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsnetzen IEC Ed. 2 (2002) Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen in Industrieanlagen (für industrielle und nicht öffentliche 50/60 Hz Nieder- und Mittelspannungs-Wechselstromnetze bis 35 kv) Klasse 1: geschützte Versorgungen (Pegel kleiner als im öffentlichen Netz) wie EDV-Netze, Labor Klasse 2: Verträglichkeitspegel wie im öffentlichen Netz Klasse 3: Industrienetze mit hohem Anteil an Netzrückwirkungsverursachern Page 6

7 D-A-CH-CZ: Einordnung im Kontext des IEC- Normenwerks zur Emission (Grenzwerte) Harmonische Spannungsschwankungen und Flicker Unsymmetrie andere Kenngrößen NS Ir<16A NS Ir<75A NS (sonst.) MS GRUNDDOKUMENT Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen (2. Ausgabe 2007) Norm Report HS HöS Ergänzungsdokument (2011) in Kraft in Arbeit in Planung Quelle: Dr. Stand: Meyer, 2011 TU Dresden Page 7

8 Normen zu Prüf- und Messverfahren IEC Ed. 2 (2008) Verfahren zur Messung der Spannungsqualität; Deutsche Fassung EN :2009 IEC ( A1:2008) Allgemeiner Leitfaden für Verfahren und Geräte zur Messung von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen in Stromversorgungsnetzen und angeschlossenen Geräten IEC Ed. 2 (2010) Flickermeter Funktionsbeschreibung und Auslegungsspezifikation Page 8

9 Ausgangsbasis für die europäische Produktnorm EN Page 9 EN (2009): Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen; Deutsche Fassung EN 50160: Cor. :2010 (daneben gilt DIN EN ( ) noch bis ) Quelle: Dr. Meyer, TU Dresden

10 Produktstandards für PQ Messgeräte Power IEC Ed. 2 Power Metering and Monitoring Devices (PMD) (2015, PQ wird entfernt) Ed. 3 (2015) Page 10

11 Kenngrößen der Spannungsqualität 1. kontinuierliche Aufzeichnung (IEC ) Funktion Aufzeichnung Klasse A Klasse S Flagging 1) Netzfrequenz 10-s-Werte M M X 2) Höhe der Versorgungsspannung M M X 3) Spannungsunsymmetrie 10-Minuten- M M X Aggregationswerte 4) Spannungsharmonische M O X 2-Stunden 5) Spannungszwischenharmonische Aggregationswerte M O X 6) Über- / Unter-Abweichungen O O X 7) Flicker 10-Minuten Pst-Wert 2-Stunden Plt-Wert M O X 8) Signalspannungen Msv(t) M O X Page 11

12 Beispiel: Höhe der Versorgungsspannung IEC Messbereich Messunsicherheit Speicherintervall Messbereich mit Einflussgrößen Klasse A 10 % bis 150 % Udin ± 0,1 % Udin 10 Min 10 % bis 200 % Udin Klasse S 20 % bis 120 % Udin ± 0,5 % Udin 10 Min 10 % bis 150 % Udin EN Niederspannung (< 1 kv), Mittelspannung (1 kv 36 kv) Spannungsänderungen im Bereich ± 10 % der Nennspannung U n bzw. der vereinbarten Spannung U c( Messintervall: 1 Woche) 1 Woche = 1008 * 10 Minuten 1 % = 100 Minuten (1:40 h) mindestens 95 % (NS) bzw. 99 % (MS) aller 10-Minuten-Mittelwerte des Effektivwerts der Versorgungsspannung müssen innerhalb der angegebenen Grenzwerte liegen, kein 10-Minuten-Mittelwert des Effektivwerts der Versorgungsspannung darf außerhalb des Grenzwerts von + 10 %/ -15 % U n (NS) bzw. ± 15 % U c (MS) liegen Hochspannung (36 kv 150 kv) Nicht festgelegt Page 12

13 Netzqualitäts-Report Messdaten sind archiviert Tages- oder Wochenbericht wird automatisch erstellt keine detaillierte Analyse notwendig Page 13

14 PQ Langzeitaufzeichnungen und zusätzliche Aufzeichnungen IEC / EN50160: 10 min U RMS zusätzliche Aufzeichnung: ½ cycle U RMS Page 14

15 Kenngrößen der Versorgungszuverlässigkeit 2. Spannungsereignisse (IEC ) Funktion Ereignisse Flagging Unterspannungen und Minimale Restspannung Urms(1/2) bzw. maximale N.A. Spannungsunterbrechungen Einbruchtiefe und Zeitstempel (Dauer) Überspannungen Maximale Überspannung und Zeitstempel (Dauer) (Quelle) Voltage transients - - Rapid voltage changes (RVC) IEC Ed. 3 und IEC/TS Ereignisliste mit Klassifizierung ½ cycle U RMS Page 15

16 Zusätzliche Aufzeichnungen: Störschriebe und ½ Perioden U RMS -Aufzeichnungen Ereignis Messort Details BlnW5 230 V Startzeit :23:15,39 Grenzwert 90 % Restspannung 55,3 % Dauer 247 ms ½-Perioden RMS Verlauf Störschrieb Grenzwerte (90% /110 %) RMS Verlauf Page Dr. Schwenke, Siemens AG

17 Klassifizierung von Spannungseinbrüchen EN Restspannung u [%] Überspannung u [%] Dauer t [ms] 20 t < t < t < t < t > u 80 CELL A1 CELL A2 CELL A3 CELL A4 CELL A5 80 > u 70 CELL B1 CELL B2 CELL B3 CELL B4 CELL B5 70 > u 40 CELL C1 CELL C2 CELL C3 CELL C4 CELL C5 40 > u 5 CELL D1 CELL D2 CELL D3 CELL D4 CELL D5 5 > u CELL X1 CELL X2 CELL X3 CELL X4 CELL X5 Dauer t [ms] 20 t < t < t U 120 CELL S1 CELL S2 CELL S3 120 > u 110 CELL T1 CELL T2 CELL T3 Bereich des möglichen Spannungseinbruchs ohne Auswirkungen Page 17

18 PQ Report (nach EN 50160) Page 18

19 Störung der Netzqualität: Ursachen und Häufigkeit I Baum stürzt auf 30 KV Freileitung Page 19

20 Störung der Netzqualität: Ursachen und Häufigkeit II das häufigste Problem: Unterspannung durch Laständerungen durch Schalthandlungen oder durch Fehler im Netz Page Dr. Schwenke, Siemens AG

21 PQ Messdaten in der Praxis I 1. Netzleittechnik: PQ Messwerte Betriebsmesswerte in Echtzeit (10 s, 10/12 Perioden, 150/180 Perioden ) Unterstützung der Netzbetreiber in der Betriebsführung ihrer Netze Simulation von Netzzuständen und Netzfehlern 2. Versorgungszuverlässigkeit: Unter-/Überspannungen, Spannungsunterbrechungen Erfassung von Spannungsereignissen in Echtzeit (Auflösung: ½ Netzperiode) Auf Störsituationen reagieren und steuernd in das Netzgeschehen eingreifen Page 21

22 PQ Messdaten in der Praxis II 3. PQ Experten: Datenbankbasierte Analyse Regelmäßiger Bericht über die Spannungsqualitäts-Kenngrößen, statistische Bewertung über ein Beobachtungsintervall, Überwachung der vertraglich vereinbarten Spannungsqualität zwischen Energieversorger und Kunden am Übergabepunkt, Analyse von Spannungsereignissen und Spannungsqualitäts-Störungen, Information von Kunden, deren Anlagen oder Prozesse empfindlich gegenüber Grenzwerten der Spannungsqualität sind, Ableitung von Informationen über die Notwendigkeit und die Dimensionierung zur Optimierung bestehender Netze oder zum Netzausbau. Page 22

23 Die Energieversorgung im Wandel der Zeit Von zentralisierten und unidirektionalen zu verteilten und bidirektionalen Strukturen Wind Parks Onshore Hydrogen Storage Storage Solutions Rail Diesel Generator Private Solar Microgrids Wind Parks Offshore Pumped Storage Power Plant Large Scale PV Plant Electrical Vehicles Smart Street Lighting Page 23

24 Herausforderungen an die Energieversorgung durch die Energiewende in Deutschland aus elektrotechnischer Sicht Belastung der Übertragungsnetze durch Nord-Süd Transport Fluktuierende Erzeugung aus regenerativen Quellen: auf den oberen Spannungsebenen (Windparks) auf der untersten Spannungsebene (durch z.b. Häuslbauer-PV ) Wechselnde Energieflussrichtung inkl. Rückspeisung in höhere Spannungsebenen Abnahme der Kurzschlussleistung Abnahme der Netzrobustheit und Elastizität Einspeisung von Oberschwingungen auf allen Spannungsebenen durch z.b. Wechselrichter, nichtlineare Verbraucher Spannungs- und Stromspitzen im Verteilnetz Unsymmetrien besonders im Niederspannungsnetz Page 24

25 Tendenzen in der Normung Messverfahren: IEC Ed. 3: 02/2015 RVC, Strommessung, 2 khz 150 khz (informativ) Produktnormung IEC Ed. 1: Power quality measurement in power supply systems - Part 1: Power Quality Instruments (PQI) IEC Ed. 1: Power quality measurement in power supply systems - Part 2: Functional tests and uncertainty requirements IEC Ed. 2 PMD (E2014) Kommunikation TR IEC : Use of IEC to transmit Power Quality data (IEC TC57 und TC85) Page 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Michael Schwenke Senior Key Expert Power Quality IC SG EA PRO D2 Wernerwerkdamm Berlin Phone: +49 (30) michael.schwenke@siemens.com Page 26