Zeitsynchronisation nutzen, heutige Standards überdenken
Es scheint, dass mit der Interoperabilität des derzeitigen Systems etwas nicht stimmt. Anfangs gab es viele Präsentationen darüber, wie reibungslos und zuverlässig der künftige Betrieb dank der Interoperabilität sein würde. Heute hat sich die anfängliche Skepsis der Realisten bewahrheitet.
Einsparungen durch interoperable intelligente Stromnetze
Obwohl es zahlreiche Installationen und Einführungen gab, wurden keine zusammenfassenden Ergebnisse über die übertragenen Datenmengen (gehen wir von mehr als einer Ablesung pro Tag aus), die Kommunikationsreichweite, die tatsächlichen Übertragungsraten, die Latenzzeit usw. bekannt gegeben.
Obwohl keine Informationen über die Ergebnisse erschienen sind, ist es möglich, Informationen über Einsparungen innerhalb interoperabler intelligenter Stromnetze (SG-Systeme) zu finden. Die große Überraschung ist, dass diese Informationen nicht von einem einzelnen Versorgungsunternehmen stammen, sondern von der Europäischen Kommission veröffentlicht wurden.
Wenn Energieversorgungsunternehmen intelligent arbeiten wollen, reicht es nicht aus, dass die Kunden über Zähler verfügen, die mit einem Relais ausgestattet sind, das je nach Tarif schaltet. Wenn die Kunden diese Funktion nicht mit ihrer heimischen Infrastruktur verbinden und ihr Verbrauchsverhalten nicht ändern, weichen die Ergebnisse auf dem Papier dramatisch von der Realität ab. Die einzigen, die davon profitieren, sind also die Zählerhersteller.
Die heutigen Standards für Netzstabilität überdenken
Paradoxerweise haben die jüngsten Markteinführungen eine Tatsache deutlich gemacht: Interoperable SG-Systeme, wie sie heute konzipiert sind, sind nicht in der Lage, die Stabilität des Stromnetzes und die Sicherheit der Stromversorgung zu gewährleisten. Um diese Situation zu ändern, ist es notwendig, SG-Komponenten mit vernünftigen Inhalten zu erfüllen. Eine der grundlegendsten Eigenschaften scheint eine gute Synchronisierung der untergeordneten SPS-Netze für die Kommunikation mit den Zählern zu sein.
Hier geht es also nicht um die Intelligenz des Geräts. Wichtig ist hier, dass sich die Geräte innerhalb des intelligenten Netzes koordiniert verhalten. Sie müssen zeitlich synchronisiert sein, um von dem vorhersehbaren Verhalten des intelligenten Netzes zu profitieren und die gegenseitige Zusammenarbeit seiner Komponenten zu gewährleisten.
Die Synchronisierung ist in folgenden Bereichen hilfreich:
- Zeitliche Steuerung der Qualität von Datenpaketübertragungen (TDM – Time-Division-Multiplex): Je geringer die Zeitunsicherheit ist, desto besser, da die einzelnen Geräte im PLC-Netz Daten mit einem geringeren Zeitabstand ohne gegenseitige Störung übertragen können, was zu einer Steigerung des Netzdurchsatzes führt.
- Genaue Messung der unmittelbaren Spannungen und Ströme: Wenn wir diese Werte analysieren, sind wir in der Lage, die tatsächliche Verteilungslast und die Versorgung der Transformatoren zu bestimmen. Außerdem können wir, wenn wir die Kirchhoff’schen Schaltungsgesetze für Knotenströme und Schaltungsspannungen anwenden, genau herausfinden, wo der nicht genehmigte Verbrauch stattfindet. In Anbetracht der Tatsache, dass die nichttechnischen Verluste in Europa 10-50 % erreichen (mit steigender Tendenz im Südosten), ist dies ein wirklich wichtiges Thema.
- Alle Zähler sind in der Lage, Strom oder Spannung zu messen: Synchron gemessene Werte können in einem FIFO-Register gespeichert werden, und wenn der Bediener Probleme an einem bestimmten Ort analysieren muss, werden die im Zähler gespeicherten Daten (einschließlich Zeitstempel) an ihn übertragen.
- Mit Synchronisationsimpulsen können die einzelnen Phasen, die einen Zähler versorgen, angezeigt werden (siehe Abbildung 1): Es spielt keine Rolle, ob die Versorgung einphasig oder mehrphasig ist. So können wir Stromasymmetrien bei Kunden mit einphasigen Geräten erkennen.
Jede Phase hat ihre eigene Farbe. Genau in dem Moment, in dem die Spannung durch den Nullpunkt geht, wird das Signal in diese Phase eingespeist (wegen der Kopplung wird es auch in andere Phasen übertragen, aber nur eine von ihnen hat ein Signal im Nulldurchgang der entsprechenden Phasenspannung).
Synchronisationsverlauf und isländische Merkmale
Das System der Datenauslesung und -übertragung zu und von den Kunden hat einen insularen Charakter mit einem Zentrum: der Versorgung durch einen Verteilertransformator. In diesem Transformator befindet sich ein Gerät (Datenkonzentrator), das über Niederspannungsleitungen mit den intelligenten Zählern der Kunden kommuniziert. Das gesamte Niederspannungsnetz der Energieverteilung besteht aus diesen Inseln.
Die Synchronisation erfolgt auf zwei Ebenen. Zunächst wird der Datenkonzentrator synchronisiert und anschließend wird die Synchronisation auf die einzelnen Zähler übertragen.
Dieser Lösungsvorschlag hat mehrere Vorteile:
- Der Synchronisationsimpuls ist genau definiert und wird im Nulldurchgangszeitpunkt einer bestimmten Phasenspannung inklusive Zeitstempel übertragen.
- Die Normen für Synchro-Phasorsysteme (die für die Steuerung von Hochspannungsnetzen verwendet werden) akzeptieren eine Abweichung von weniger als 1 %. So ist für die 50-Hz-Frequenz eine Unsicherheit von ± 30 µs zulässig, was innerhalb der akzeptierten Genauigkeit für Niederspannungssysteme liegt (die eigene Synchronisierung für die Phasenmessung hat eine wesentlich höhere Genauigkeit: ± 1 µs).
Berechnung von Synchronisierungsverzögerungen
Um die Verzögerung zu berechnen, die durch die Eigenschaften der Stromleitungen verursacht wird, nehmen wir eine konstante k = 0,6 Lichtgeschwindigkeit an, und die maximale Länge der Niederspannungsleitungen, die wegen der Garantie der maximalen Verluste nicht mehr als ca. 2 km beträgt. Die Zeit der Netzperiode erreicht 0,02 s.
Das bedeutet, dass es möglich ist, die Synchronisation von Geräten, die aus dem Niederspannungsnetz versorgt werden, mit einer Genauigkeit von ±50 µs für alle Geräte zuverlässig zu realisieren. Im Vergleich dazu synchronisiert z.B. der PRIME-Standard untergeordnete Endgeräte mit Datenpaketen, die über die Stromleitungen übertragen werden.
Einschränkungen der PRIME-Standard-Genauigkeit
Wenn das Paket ohne Signalwiederholung durchläuft (in der Regel erreicht die Anzahl der Wiederholungen 4-8 Mal), erreicht die Genauigkeit unter sehr günstigen Bedingungen ± 0,01 s. Es gibt jedoch eine große Schwäche dieses „Standards“: Die obige Zahl stellt die Grundgenauigkeit dar, und aufgrund der Signalwiederholung gibt es eine erhebliche Zeitverschiebung bei einzelnen Metern.
Die übliche Genauigkeit innerhalb der PRIME-Zähler erreicht somit ±1 Sekunde. Dieses System ist für die Tarifumschaltung geeignet. Es ist jedoch nicht für die Netzsteuerung geeignet (siehe oben).
Methoden zur Synchronisierung von Datenkonzentratoren
Kommen wir zurück zur Synchronisierung von Datenkonzentratoren. Es gibt mehrere Möglichkeiten, Datenkonzentratoren zu synchronisieren. Wenn der Datenkonzentrator direkt (über ein Kabel) mit dem Internet verbunden ist, können die NTP- oder PTP-Protokolle verwendet werden, die für die Zeitsynchronisierung von mit dem Internet verbundenen Geräten eingesetzt werden. Bei einer drahtlosen Verbindung (GPRS oder EDGE) über Mobilfunkbetreiber können wir diesen Kanal wegen der undefinierten Latenzzeit nicht für die Synchronisierung verwenden.
Die andere Möglichkeit ist die Synchronisierung über ein GPS-Signal (oder ähnliches). Die Genauigkeit ist ähnlich oder sogar besser als bei NTP- oder PTP-Diensten. Der einzige Nachteil ist, dass dieses Signal nicht garantiert ist und sein Besitzer es ohne Vorwarnung abschalten kann.
Verteidigung der Wissenschaft gegen bürokratische Kontrolle
Hüten Sie sich vor einem System, das auf der Grundlage physikalischer Gesetze funktioniert, wenn es von Bürokraten kontrolliert wird. Oft legen sie Entscheidungen vor, die nur von ihnen selbst ohne das nötige Wissen überprüft werden, und sie hoffen naiv, dass es über einen langen Zeitraum korrekt funktioniert.
Glücklicherweise wehrt sich die Energiewirtschaft im Allgemeinen gegen diesen Druck. Es ist jedoch nur eine Frage der Zeit, bis sie besiegt sein wird. Wenn dies geschieht, muss man mit technischen Lösungen bereit sein, die auf den Gesetzen der Wissenschaft beruhen und nicht auf schönen Bildern und Präsentationen, die in der Praxis nicht brauchbar sind.