Häufig sind Erdschlüsse Fehlerfälle in den Mittelspannungsnetzen. Man spricht von einem Erdschluss, wenn ein Kabel oder eine Leitung eine nicht beabsichtigte elektrische leitfähige Verbindung zum Erdpotenzial bekommen hat. Obwohl ein Erdschluss in gelöschten Mittelspannungs-Netzen nicht sofort zum Ausfall führt, ist eine schnelle Lokalisierung und Behebung stehender Erdschlüsse nötig, um das Auftreten von Folgefehlern zu vermeiden und möglichst schnell wieder zum optimalen „Normalbetrieb“ zurückzukehren.
Von gelöschten Netzen spricht man, wenn die Auswirkungen eines Erdschlusses durch einen erzeugten "Gegenstrom" begrenzt werden. Dieser kompensiert dann den Erdschlussstrom.
Schwer zu lokalisieren
Um Erdschlüsse zu lokalisieren, braucht es derzeit allerdings viel Personal und Zeit, was oft zu Abschaltungen im Rahmen des manuellen Fehlersuchvorgangs führt. Existierende automatisierte Lösungen sind laut dem Unternehmen Griddata sehr ungenau und können nur partiell in einigen ausgewählten Stationen realisiert werden; eine Lokalisierung auf Leitungsebene erfordert dagegen in jeder Mittelspannungs-Station dagegen Hardware und Kommunikationsanbindung – ein immenser Kosten- und Installationsaufwand.
Noch häufiger treten transiente Erdschlusswischer auf – auch in voll-verkabelten Mittelspannungsnetzen. Sie sind ein Anzeichen für künftige Störungen. Diese Wischer entziehen sich einer manuellen Suche völlig und auch Richtungsanzeiger in einigen wenigen Stationen ergeben viel zu große Teilnetze, um daraus Wartungsmaßnahmen abzuleiten.
PROJEKTHINTERGRUND
Das Projekt EdaF "Effiziente Datenanalyse für akkurate Fehlerlokalisation in Mittelspannungsnetzen"" wurde in Zusammenarbeit von GridData GmbH mit dem Forschungsinstitut des Freistaats Bayern für softwareintensive Systeme und Services, fortiss, und Salzburg Netz durchgeführt. Außerdem haben bei der Projektumsetzung als assoziierte Partner die Stadtwerke München, Innsbrucker Kommunalbetriebe, Stadtwerke Traunstein, Energiegenossenschaft Wolkersdorf und Stadtwerke Dorfen mitgewirkt.
Neues datenbasiertes Verfahren
Im Projekt EdaF "Effiziente Datenanalyse für akkurate Fehlerlokalisation in Mittelspannungsnetzen" haben die Projektpartner ein neues datenbasiertes Verfahren entwickelt, um Erdschlussfehler zu lokalisieren. Dieser Ansatz lokalisiert sowohl stehende Erdschlüsse als auch -wischer. An die Netzbetreiber werden nur minimale Anforderungen gestellt:
- Die Mittelspannungsnetzstruktur liegt in digitaler Form vor (zum Beispiel aus dem Geoinformations[GIS]-System).
- Ein Power-Quality(PQ)-Messgerät muss in einer zentralen Station des Netzes vorhanden sein, typischerweise auf Mittelspannungs-Seite des Umspannwerks. Dieses Gerät sollte transiente Phasenspannungen mit einer Auflösung von mindestens 100 Mikrosekunden im Erdschlussfall erfassen, speichern und übertragen können.
Mit dem EDaF-Ansatz lässt sich ein digitales Abbild des Mittelspannungsnetzes erzeugen. Dieser digitale Zwilling wird genutzt, um Fehlerbilder für verschiedene Fehlerorte und -impendanzen zu generieren. Bei Fehlerauftritt werden diese Signaturen mit der realen Messung aus dem Umspannwerk verglichen: die „ähnlichsten“ Fehlersignaturen weisen dann auf den Fehlerort hin. Der EDaF-Ansatz sei bereits in realen Mittelspannungsnetzen dreier beteiligter regionaler Verteilnetzbetreiber aus Deutschland und Österreich validiert, heißt es dazu.
So funktioniert es
Der Lösungsansatz ist in der obigen Abbildung dargestellt. Ausgangspunkt sind simulierte Spannungsverläufe von ein bis zwei Millisekunden, die in einer Signaturdatenbank gespeichert werden. Dazu wurde ein digitaler Zwilling (links) automatisiert aus den Strukturdaten abgeleitet. Dieser ermöglicht nun, Spannungsverläufe von Erdschlussfehlern an beliebigen Orten zu simulieren und für den Abgleich mit realen Messungen aufzuzeichnen.
Durch die so erstellte Datenbank (Mitte) lassen sich dann reale PQ-Messungen eines Erdschlusses mittels der generierten Signaturen einem Ort im Netz zuordnen.
Praxistest war erfolgreich
Das Funktionieren der Lösung habe man anhand der Betrachtung eines Mischnetztes unter zusätzlicher Verwendung einzelner weniger Erdschlussrichtungsanzeiger nachgewiesen. Die zuvor in Erdschlussproben gewonnenen realen Messdaten an zwei unterschiedlichen Orten konnten laut Griddata dem richtigen Fehlerort zugewiesen werden.
Das dabei eingesetzte Ähnlichkeitsmaß zwischen Signaturen und Messungen erlaube eine automatisierte Lokalisierung innerhalb weniger Minuten ohne zusätzliche Schaltvorgänge. Der Workflow lässt sich sowohl lokal auf der IT-Infrastruktur des Stromnetzbetreibers als auch in sicheren Cloud-Lösungen durchführen.
Läuft sowohl auf lokaler IT-Infrastruktur als auch in der Cloud
Eine Auslagerung der ressourcenintensiveren Signaturgenerierung auf Cloud-Systeme sei dabei stehts möglich, da dieser Schritt von der Lokalisierung entkoppelt ist und nicht zur Laufzeit durchgeführt werden muss.
Dass das EdaF-Projekt funktioniere, habe man in drei existierenden Mittelspannungsnetzen, einem ländlichen 20-kV-Mischnetz sowie zwei städtischen 10-kV-Kabelnetzen gezeigt. Mit dem Projektabschluss wolle man nun in eine breit angelegte Pilotphase übergehen, in der diese Lokalisierung als Service für historische Ereignisse durch die Griddata angeboten wird.
Interessierte Stromnetzbetreiber können mitmachen
Das Unternehmen stellt daher allen interessierten Stromnetzbetreibern das Analyseverfahren zur Verfügung. Voraussetzung dazu ist der Betrieb eines gelöschten Mittelspannungsnetzes sowie die vorher erläuterten Punkte: das Vorhandensein der Netzstrukturdaten in digitaler Form und Messdaten der transienten Phasenspannung einiger Erdschlussereignisse.
Griddata selbst stelle eine Mustertabelle für Netzstrukturdaten, Messdatenformat und optional Ergebnisse des Erdschlussrichtungsanzeigers bereit. (sg)
