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
Begriffe und Basis-Standards Power Quality = Spannungsqualität Voltage Quality Monitoring Measurement methods = Messverfahren Voltage charateristics = Merkmale der Spannung Grenzwerte Page 2
Motivation für die Netzqualitäts-Messung Durch Implementierung der IEC61000-4-30 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
Ausgangsbasis für die Verträglichkeitsnormung in Europa Quelle: Dr. Meyer, TU Dresden Page 4
Übersicht der Normenreihe 61000 Quelle: Dr. Meyer, TU Dresden Page 5
Verträglichkeitspegel IEC 61000-2-2 Ed. 2 (2002) Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsnetzen IEC 61000-2-4 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
D-A-CH-CZ: Einordnung im Kontext des IEC- Normenwerks zur Emission (Grenzwerte) Harmonische Spannungsschwankungen und Flicker Unsymmetrie andere Kenngrößen NS Ir<16A 61000-3-2 61000-3-9 61000-3-3 NS Ir<75A 61000-3-12 61000-3-11 NS (sonst.) MS 61000-3-10 61000-3-5 GRUNDDOKUMENT 61000-3-14 Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen 61000-3-15 (2. Ausgabe 2007) 61000-3-8 Norm Report HS HöS Ergänzungsdokument (2011) 61000-3-6 61000-3-7 61000-3-13 in Kraft in Arbeit in Planung Quelle: Dr. Stand: Meyer, 2011 TU Dresden Page 7
Normen zu Prüf- und Messverfahren IEC 61000-4-30 Ed. 2 (2008) Verfahren zur Messung der Spannungsqualität; Deutsche Fassung EN 61000-4-30:2009 IEC 61000-4-7 (2002 + A1:2008) Allgemeiner Leitfaden für Verfahren und Geräte zur Messung von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen in Stromversorgungsnetzen und angeschlossenen Geräten IEC 61000-4-15 Ed. 2 (2010) Flickermeter Funktionsbeschreibung und Auslegungsspezifikation Page 8
Ausgangsbasis für die europäische Produktnorm EN 50160 Page 9 EN 50160 (2009): Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen; Deutsche Fassung EN 50160:2010 + Cor. :2010 (daneben gilt DIN EN 50160 (2008-04) noch bis 2015-03-01) Quelle: Dr. Meyer, TU Dresden
Produktstandards für PQ Messgeräte Power IEC 61557-12 Ed. 2 Power Metering and Monitoring Devices (PMD) (2015, PQ wird entfernt) Ed. 3 (2015) Page 10
Kenngrößen der Spannungsqualität 1. kontinuierliche Aufzeichnung (IEC 62586-1) 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
Beispiel: Höhe der Versorgungsspannung IEC 61000-4-30 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 50150 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
Netzqualitäts-Report Messdaten sind archiviert Tages- oder Wochenbericht wird automatisch erstellt keine detaillierte Analyse notwendig Page 13
PQ Langzeitaufzeichnungen und zusätzliche Aufzeichnungen IEC 61000-4-30/ EN50160: 10 min U RMS zusätzliche Aufzeichnung: ½ cycle U RMS Page 14
Kenngrößen der Versorgungszuverlässigkeit 2. Spannungsereignisse (IEC62586-1) 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 61000-4-30 Ed. 3 und IEC/TS 62749 - Ereignisliste mit Klassifizierung ½ cycle U RMS Page 15
Zusätzliche Aufzeichnungen: Störschriebe und ½ Perioden U RMS -Aufzeichnungen Ereignis Messort Details BlnW5 230 V Startzeit 2013-07-18 17:23:15,39 Grenzwert 90 % Restspannung 55,3 % Dauer 247 ms ½-Perioden RMS Verlauf Störschrieb Grenzwerte (90% /110 %) RMS Verlauf Page 16 2014-01-15 Dr. Schwenke, Siemens AG
Klassifizierung von Spannungseinbrüchen EN 50160 Restspannung u [%] Überspannung u [%] Dauer t [ms] 20 t 200 200 < t 500 500 < t 1 000 1 000 < t 5 000 5 000 < t 60 000 90 > 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 500 500 < t 5 000 5 000 < t 60 000 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
PQ Report (nach EN 50160) Page 18
Störung der Netzqualität: Ursachen und Häufigkeit I Baum stürzt auf 30 KV Freileitung 31.03.2013 08.05.2013 26.03.2013 26.03.2012 11.01.2013 24.10.2012 Page 19
Störung der Netzqualität: Ursachen und Häufigkeit II das häufigste Problem: Unterspannung durch Laständerungen durch Schalthandlungen oder durch Fehler im Netz 29.12.2013 26.04.2013 Page 20 2014-01-15 Dr. Schwenke, Siemens AG
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
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
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
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
Tendenzen in der Normung Messverfahren: IEC 61000-4-30 Ed. 3: 02/2015 RVC, Strommessung, 2 khz 150 khz (informativ) Produktnormung IEC 62586-1 Ed. 1: Power quality measurement in power supply systems - Part 1: Power Quality Instruments (PQI) IEC 62586-2 Ed. 1: Power quality measurement in power supply systems - Part 2: Functional tests and uncertainty requirements IEC 61557-12 Ed. 2 PMD (E2014) Kommunikation TR IEC 61850-90-17: Use of IEC 61850 to transmit Power Quality data (IEC TC57 und TC85) Page 25
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Michael Schwenke Senior Key Expert Power Quality IC SG EA PRO D2 Wernerwerkdamm 5 13623 Berlin Phone: +49 (30) 386-20136 E-mail: michael.schwenke@siemens.com Page 26