Unser Kundenmagazin Smart & Easy, Ausgabe 1 – 2023
Veröffentlicht: 10. Mai 2023
IoT-Lösungen für Verteilnetzbetreiber
Die Energiewende stellt die Verteilnetzbetreiber (VNB) in Deutschland vor große Herausforderungen. Auf der einen Seite müssen immer mehr Photovoltaik (PV)-Anlagen ans Netz angeschlossen werden. So gilt seit Anfang dieses Jahres in einigen Bundesländern die Pflicht, bei Neubau oder umfassender Sanierung von Gebäuden PV-Anlagen auf dem Dach zu installieren. Andererseits führt die Dekarbonisierung der Sektoren Wärmeversorgung und Mobilität dazu, dass immer mehr Wärmepumpen und Ladesäulen ans Stromnetz angeschlossen werden, was die Volatilität zwischen Stromerzeugung und -verbrauch zusätzlich verstärkt und die Lastverläufe dynamisiert. Darüber hinaus hat sich das Stromverbrauchsverhalten durch den Trend zu Homeoffice und flexibler Arbeitszeitgestaltung verändert. Es lässt sich immer schwieriger in Standardlastprofilen abbilden.
Intransparenz durch bisherige Infrastrukturen
Mit dem Laden des Videos akzeptieren Sie die Datenschutzerklärung von YouTube.
Mehr erfahren
Diese Veränderungsdynamik trifft vielerorts auf unvorbereitete Infrastrukturen. Weil in der alten Energiewelt obsolet, sind Niederspannungsnetze in den seltensten Fällen mit Leittechnik ausgestattet. Die Datenkenntnis endet meist am Niederspannungstrafo. Über die Lastsituation einzelner Netzstränge sind keine Informationen vorhanden. Wollte man bislang Transparenz erzeugen, erforderte dies eine aufwändige Überwachung der Lasten durch Schleppzeiger. Defekte Trafos und Überlastungen im Niederspannungsnetz wurden meist erst im Störfall entdeckt. Auch detailliertere Informationen über Bezug und Einspeisung an einzelnen Netzknoten fehlten bislang.
Zwar lassen sich nachteilige Effekte und Überlastungsgefahren durch das netzdienliche Steuern von Erzeugern und Verbrauchern sowie Stromspeichern dämpfen. Aber die physischen Grenzen der Netzbelastung werden dadurch nicht verschoben und die tatsächlichen lokalen Betriebszustände bleiben weiterhin intransparent. Zudem sind die Netzbetreiber dazu angehalten, alle sonstigen Maßnahmen zur Netzstabilisierung auszuschöpfen, bevor kurative Steuerungsvorgänge vorgenommen werden.
Große Hoffnung liegt darin, auch die Messwerte intelligenter Messsysteme (iMSys) für die Abschätzung des Netzzustandes und der Betriebsmittelauslastung heranzuziehen. Hierzu mangelt es derzeit allerdings noch an einer ausreichenden Anzahl ausgestatteter Messstellen. Zeitgleich werden die Einspeise- und Entnahmeszenarien durch den Hochlauf der E-Mobilität und den forcierten Übergang zur elektrifizierten Gebäudebeheizung über Wärmepumpen schon heute zusehends volatiler.
Energiewirtschaftlich relevante Daten allein reichen als Grundlage für die Steuerung und die Planung des Ausbaus von Verteilnetzen nicht aus. VNB müssen zusätzliche Messungen in Ortsnetzstationen und Kabelverteilerschränken etablieren, um die Energieflüsse in ihren Netzen transparent zu machen. Das hat auch die Bundesnetzagentur (BNetzA) als verordnungsermächtigte Behörde erkannt: Die künftige Ausgestaltung des § 14a EnWG sieht Nachweispflichten über den Netzknotenzustand vor, wenn VNB steuerbare Verbraucher netzdienlich steuern und schalten.
IoT-Netze bieten einfachen Weg zum Netzmonitoring
Dank Internet of Things (IoT)-Technologie ist dies mit einfachen Mitteln realisierbar. In vielen Städten existieren bereits Long Range Wide Area Network (LoRaWAN®) Infrastrukturen oder befinden sich im Aufbau. Über diese Funknetze lassen sich ohne Mehrkosten auch Echtzeitdaten aus Ortsnetz-Trafostationen übertragen. Dazu müssen diese nur mit entsprechender Sensorik ausgerüstet werden. Die gewonnenen Daten können an zentraler Stelle ausgewertet und den verschiedenen Fachabteilungen des Netzbetriebs zur Verfügung gestellt werden.
Messen und überwachen lassen sich beispielsweise separat oder in Kombination Parameter wie Stromstärke von Abgängen, Spannung einzelner Phasen, Netzfrequenz, Phasenwinkel, Stromrichtung, Erdschluss/Kurzschluss, Status von NH-Sicherungen, Feuchtigkeit im Gebäude, Materialerwärmung, Türöffnung und Bewegung/Licht.
IoT-basierte Überwachung von Verteilnetzen
Wie sieht die IoT-Überwachung im Idealfall aus? ZENNER bietet eine Lösung an, die aus sechs Komponenten besteht.
- Hardware: Marktgängige Messgeräte (z. B. Multimessgeräte, Spannungsmesser, Rogowski-Spulen) können per LoRaWAN®-Bridge ausgelesen werden. ZENNER bietet eine kompakte Messbox für Kabel- verteilerschränke an, die Überwachungsfunktionen bündelt und ihre Bereitstellung vereinfacht. Ebenfalls in Feldtests befindet sich eine Edge Device für Ortsnetzstationen. Dieses Gerät komprimiert und bearbeitet die Messdatenmengen vor Ort und schöpft die zur Verfügung stehenden LoRaWAN®-Übertragungskapazitäten optimal aus.
- Monitoring: Hier kommt die element IoT-Plattform von ZENNER zum Einsatz, die Messwerte und Verläufe je Messpunkt nahezu in Echtzeit erfasst und anwendungsfallspezifisch vorverarbeitet.
- Störungsmanagement: Pro Abgang, Messpunkt oder Station können Schwellwerte definiert und erfasst werden. Bei Schwellwertüberschreitung erfolgt eine Störungsmeldung per SMS, E-Mail oder Alarmdashboard. Das Erstellen von Statistiken und des SAIDI-Wertes zählt ebenfalls zum Leistungsumfang.
- Visualisierung mit GridLink: GridLink von ZENNER bietet die niederschwellige Möglichkeit, Einblick in die Daten der IoT-verknüpften Stromnetze zu erhalten. Von der Auslastung ganzer Netzknoten- punkte bis zur Analyse abgangsweiser Schieflasten – die App arbeitet die erhobenen Rohdaten bedarfsgerecht auf, um den Netzbetreiber optimal bei deren Auswertung zu unterstützen.
- Integration in das NIS: Alle per Monitoring gewonnenen Daten können in das Netzinformationssystem (NIS) des VNB geleitet werden. Dort liegen bereits die statischen Kennwerte des Netzes und seiner Betriebsmittel mitsamt deren Verknüpfung vor. Die Sicht auf alle statischen und dynamischen Asset-Parameter ermöglicht realitätsgetreue Lastflussberechnungen und Zustandsabschätzungen.
- Anbindung der Netzleitstelle: Die Messwerte werden mit element scada mittels IEC 60870 5 104-Standard als Software as a Service zum Beispiel an die Leitstellen-Hardware weitergeleitet. element scada kann beliebig viele IEC 104-Slaves verwalten und Telegramme an beliebig viele Adressräume (IEC 104 MASTER#) senden. Die physische Netztrennung wird durch einen separaten Industrie-PC gewährleistet.
Fazit: IoT macht Verteilnetze wirklich smart! Erst kombinierte Informationen aus Messwerten, die per iMSys an den Ein- und Ausspeisepunkten im Netz gewonnen, und technischen Zustandsdaten der Assets, die IoT-basiert verfügbar gemacht werden, ermöglichen einen jederzeit sicheren und wirtschaftlich optimalen Netzbetrieb. Abgesicherte Informationen stellen auch die Netzausbauplanung auf ein sicheres Fundament.
Smart Grid-Lösungen zahlen u. a. auf folgende UN-Ziele ein:
