Smart-Grid-Einführung – Verteilungsnetze, die bidirektionalen Stromfluss mit einer Informationsschicht unterstützen

Das traditionelle Stromverteilungsnetz wurde unter der Annahme konzipiert, dass Strom nur in eine Richtung fließt, vom Kraftwerk zum Verbraucher. Die Aufgabe des Masttransformators bestand lediglich darin, die Hochspannung auf die in Haushalten übliche Niederspannung herunterzutransformieren; er war nie für einen Stromfluss in die andere Richtung ausgelegt. Sobald jedoch Solaranlagen auf Hausdächern, Heimspeicher und Elektrofahrzeuge an die Verteilungsleitung angeschlossen sind, entstehen Abschnitte, in denen an einem sonnigen Nachmittag Strom vom Verbraucher zurück ins Netz fließt. Ein intelligentes Stromnetz (Smart Grid) ist ein Verteilungsnetz, das diesen bidirektionalen Stromfluss sicher bewältigen kann, indem es eine zusätzliche „Informationsebene“ aus Mess-, Kommunikations- und Steuerungstechnik integriert. Die Funktionsweise der Umspannwerke und Übertragungsleitungen – das „Gerüst“ des Systems – wurde bereits im Artikel „Einführung in Umspannwerke und Übertragungsleitungen“ (www.power-substation-transmission.html) erläutert. Dieser Artikel untersucht die darüber hinausgehenden Veränderungen auf der Verteilungsebene anhand von vier Säulen: intelligente Zähler, Kommunikationsprotokolle, Lastmanagement und selbstheilende Verteilungsautomatisierung.

Die wichtigsten Punkte in 30 Sekunden

• Das traditionelle Stromverteilungsnetz war ein unidirektionales, von oben nach unten gerichtetes System. Mit dem Ausbau dezentraler Energiequellen (Solaranlagen, Batteriespeicher, Elektrofahrzeuge) entstehen Abschnitte, in denen Strom vom Verbraucher zurück ins Netz fließt. Dies führt zu Problemen wie Spannungsanstiegen, die im alten System nicht berücksichtigt wurden.

• Der intelligente Stromzähler (AMI: Advanced Metering Infrastructure) ist mehr als nur ein Gerät zur automatischen Zählerablesung. Er ist ein bidirektionales Kommunikationsterminal, das detaillierte Verbrauchsdaten wie 30-Minuten-Zählerstände, Fernverbindung/-trennung und Störungserkennung verarbeitet. In Japan soll der Ausbau im Niederspannungsbereich (Haushalte usw.) bis Ende des Geschäftsjahres 2024 weitgehend abgeschlossen sein.

• Es gibt drei Kommunikationswege: den B-Weg, der den intelligenten Stromzähler mit dem HEMS (Home Energy Management System) verbindet; den A-Weg, der vom Energieversorger genutzt wird; und den C-Weg, der Daten an Einzelhändler und Drittanbieter weiterleitet – jeder mit einer anderen Kommunikationsmethode und einem anderen Zweck. ECHONET Lite und OpenADR sind internationale Standardprotokolle, die unterschiedliche Ebenen abdecken: die Steuerung im Haushalt bzw. die Laststeuerung im B2B-Bereich.

Laststeuerung (Demand Response, DR) ist ein Mechanismus, der die nachfrageseitige Ausrüstung fernsteuert, um Angebot und Nachfrage so anzupassen, als ob die Leistung eines Kraftwerks erhöht oder gesenkt worden wäre. Es handelt sich weniger um eine einzelne Technologie als vielmehr um einen Oberbegriff für einen Betrieb, der Kommunikation, Verträge und Marktgestaltung kombiniert.

Selbstheilende Verteilungsautomatisierung, die einen fehlerhaften Abschnitt automatisch isoliert und die Stromversorgung intakter Abschnitte über eine alternative Route wiederherstellt, ist bei japanischen Energieversorgern bereits weit verbreitet. Das Neue am Smart Grid ist weniger die automatische Wiederherstellung selbst, sondern vielmehr die Granularität und Geschwindigkeit der Daten, die nun für diese Entscheidung zur Verfügung stehen.

1. Warum das Stromnetz „smart“ werden musste

Das Übertragungsnetz ist eine Welt mit Hunderten von kV, Hochspannung und hoher Kapazität, in der der Stromfluss lange Zeit zentral von Schutzrelais in Umspannwerken und Netzbetreibern gesteuert wurde. Das Verteilnetz hingegen ist eine Niederspannungswelt am anderen Ende des Systems, die ursprünglich auf der Annahme basierte, dass „Strom von der Quelle zur Quelle fließt“. Diese Annahme wurde durch den rasanten Aufstieg dezentraler Energieerzeugungsanlagen (DEA) – wie Solaranlagen auf Hausdächern, Heimspeicher und Elektrofahrzeuge – widerlegt.

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Abbildung 1 – Die Richtung des Leistungsflusses variiert je nach Abschnitt mit dem sich ändernden Gleichgewicht zwischen Nachfrage und dezentraler Energieerzeugung. Intelligente Zähler und Sensoren in den Leitungen senden Telemetriedaten an die Verteilnetz- und Energieerzeugungszentrale, die daraufhin Spannungs-, Lade- und Lastmanagementbefehle zurückmeldet.

Mit zunehmendem Rückstrom kann die Spannung entlang der Verteilleitung ansteigen, was Bedenken hinsichtlich der Einhaltung der Spannungsvorgaben gemäß dem japanischen Elektrizitätswirtschaftsgesetz (101 ± 6 V bei Niederspannung, 202 ± 20 V usw.) aufwirft. Die Spannung wurde traditionell über Laststufenschalter (OLTC) in Umspannwerken oder über automatische Spannungsregler (SVR) auf Abschnittsebene geregelt. Diese Regelungsmethoden basieren jedoch auf dem Prinzip, dass der Strom von der Quelle zur Quelle fließt. Wenn auf derselben Verteilungsleitung gleichzeitig Schwankungen in der Solarstromerzeugung und im Strombedarf auftreten, reicht eine einfache Stufenschalterregelung allein nicht mehr aus. Der Begriff „Smart Grid“ bezeichnet die Bemühungen, Messtechnik, Kommunikation und dezentrale Steuerung in das Verteilungsnetz zu integrieren, um dieser physikalischen Veränderung Rechnung zu tragen.

2. Der intelligente Stromzähler (AMI) – Von der Zählerablesung zur bidirektionalen Datenplattform

Ein intelligenter Stromzähler ist nicht nur ein Gerät, das den Stromverbrauch anstelle eines Zählerablesers misst. Er fungiert als Endpunkt eines gesamten Kommunikationsnetzwerks, der sogenannten AMI (Advanced Metering Infrastructure), mit folgenden Aufgaben:

• Feinintervallmessung: Er erfasst Verbrauchsdaten in Intervallen wie 30 Minuten und sendet sie an den Energieversorger. Diese Daten bilden die Grundlage für zeitabhängige Tarife und die Messung der Auswirkungen von Lastmanagementmaßnahmen.

• Fernsteuerung/Ferntrennung: Die Stromversorgung kann aus der Ferne gesteuert oder unterbrochen werden, ohne dass ein Vor-Ort-Besuch erforderlich ist. Gründe hierfür können Vertragsänderungen, unbezahlte Rechnungen oder die Sicherheit in Katastrophenfällen sein.

• Störungserkennung: Durch das Senden eines letzten Warnsignals durch den Zähler kann der Energieversorger das Ausmaß einer Störung erfassen, ohne auf Anrufe von Kunden warten zu müssen.

In Japan haben die Energieversorger gemäß den Vorgaben des Ministeriums für Wirtschaft, Handel und Industrie die Umstellung auf intelligente Stromzähler vorangetrieben. Der Rollout war im Hochspannungsbereich (Fabriken usw.) bis 2016 und im Niederspannungsbereich (Haushalte usw.) bis Ende des Geschäftsjahres 2024 weitgehend abgeschlossen. Damit ist ein flächendeckendes Zählernetz entstanden. Die Agentur für natürliche Ressourcen und Energie untersucht bereits die nächste Stufe – ein „intelligentes Zählerkonzept der nächsten Generation“ –, das als Infrastruktur für neue, auf Stromdaten basierende Dienstleistungen (DX im Energiesektor) dienen soll.

Smart-Meter-Daten werden über drei separate Kommunikationswege geleitet, die unterschiedlichen Zwecken dienen.

Durch die Übermittlung der Nutzungsdaten an das HEMS über Weg B werden Dienste möglich, die Solaranlage, Batteriespeicher und Klimaanlage eines Hauses als Einheit verwalten, den Stromverbrauch visualisieren und automatisch steuern.

3. Die Schichten der Kommunikationsprotokolle – Haussteuerung und B2B-Koordination sind separate Schichten

Die Kommunikation in Smart Grids basiert nicht auf einem einzigen Protokoll. Die Steuerung von Geräten im Haushalt und die Kommunikation zwischen Energieversorgern/Aggregatoren erfordern unterschiedliche Eigenschaften.

• ECHONET Lite: Ein vom ECHONET-Konsortium entwickeltes Protokoll zur Steuerung von Geräten in Smart Homes. Es basiert auf UDP/IP und definiert über 90 Geräteklassen, darunter Klimaanlagen, Warmwasserbereiter, Batterien und Ladegeräte für Elektrofahrzeuge. International als ISO/IEC-Standard standardisiert, deckt es die „letzte Meile“ zwischen dem HEMS (Home Energy Management System) und den Geräten im Haushalt ab.

• OpenADR (Open Automated Demand Response): Ein internationaler Standard für den automatischen Austausch von Lastmanagementsignalen zwischen Energieversorgern/Aggregatoren und Verbrauchern (bzw. deren Gateways). OpenADR 2.0b ist eine repräsentative Spezifikation zur Automatisierung des Lastmanagements zwischen Unternehmen (B2B).

Netz- und Umspannwerksseitige Protokolle: Schutz und Steuerung innerhalb eines Umspannwerks nutzen IEC 61850 (siehe Einführung in Umspannwerke und Übertragungsleitungen für Details). Überwachung und Steuerung von Verteilnetzen verwenden mitunter Kommunikationsstandards wie IEC 60870-5-104 oder DNP3, die in SCADA-Systemen zum Einsatz kommen.

Kurz gesagt: ECHONET Lite ist für die Kommunikation im Haushalt zuständig, OpenADR für DR-Signale zwischen Unternehmen und Protokolle der IEC-61850-Familie für das Übertragungs-/Verteilungsnetz – das Smart Grid ist ein System, in dem mehrere Protokolle mit unterschiedlichen Zwecken in Schichten übereinander angeordnet sind. Oft herrscht das Missverständnis, es gäbe nur ein einziges „Smart-Grid-Protokoll“; das ist nicht der Fall.

4. Laststeuerung (Demand Response, DR) – Nutzung der Nachfrageseite als „Kraftwerk“

Laststeuerung (Demand Response, DR) ist ein Mechanismus, der Verbrauchergeräte so steuert, dass das Stromnetz den gleichen Effekt erzielt wie eine Erhöhung oder Senkung der Leistung eines Kraftwerks. Man unterscheidet zwischen „abwärtsgerichteter DR“, die die Nachfrage reduziert, wenn Strom knapp ist, und „aufwärtsgerichteter DR“, die die Nachfrage erhöht, wenn Stromüberschuss herrscht, beispielsweise während der Mittagszeit mit hoher Sonneneinstrahlung.

Institutionell lässt sich DR grob in zwei Kategorien unterteilen:

• Anreizbasierte DR: Ein Energieversorger oder Aggregator steuert die Geräte von Vertragskunden direkt und ferngesteuert und zahlt eine Vergütung proportional zur Reaktion.

• Tarifbasierte DR: Die Stromtarife ändern sich je nach Tageszeit oder in Zeiten knapper Angebotslage, sodass Verbraucher selbst entscheiden können, wie sie ihren Verbrauch anpassen.

Die Bündelung von DR, um sie am Markt wie ein einzelnes Kraftwerk handeln zu können, ist das, was virtuelle Kraftwerke (VPP) – im nächsten Artikel behandelt – leisten. Wie DR als Marktprodukt gehandelt wird, wird im VPP (Virtual Power Plant) Primer ausführlich beschrieben.

5. Selbstheilende Verteilnetze

Der Mechanismus, der bei einem Übertragungsleitungsfehler schnell nur den fehlerhaften Abschnitt isoliert, ist die Aufgabe von Schutzrelais, die im Umspannwerk- und Übertragungsleitungs-Primer erläutert werden. Ein ähnliches Konzept existiert auf Verteilnetzebene: die Verteilnetzautomatisierung. Sie wird bereits von japanischen Energieversorgern weit verbreitet eingesetzt – beispielsweise erkennt das automatische Verteilnetzleitsystem von Kyushu Electric Power Transmission and Distribution den fehlerhaften Abschnitt automatisch und stellt die Stromversorgung intakter Abschnitte über eine alternative Route schnell wieder her.

Ein typisches Verfahren ist die zeitverzögerte sequentielle Wiederherstellung. Tritt ein Fehler auf, unterbricht der Leistungsschalter im Umspannwerk zunächst die Stromversorgung vollständig. Anschließend schließen die in jedem Abschnitt installierten automatischen Schalter nacheinander von der Umspannwerksseite aus mit einer festgelegten Zeitverzögerung. Wird an einem bestimmten Abschnitt erneut ein Fehlerstrom festgestellt, bleibt der Schalter kurz davor geöffnet und isoliert so nur den fehlerhaften Abschnitt. Die Stromversorgung der intakten, nachgelagerten Abschnitte erfolgt dann über eine alternative Route (eine benachbarte, verbundene Verteilungsleitung).

Abbildung 2 – Die Verteilungsautomatisierung öffnet automatisch die Schalter auf beiden Seiten eines fehlerhaften Abschnitts, um diesen zu isolieren. Anschließend wird der Strom von einer benachbarten, intakten Verteilungsleitung (dem System eines anderen Umspannwerks) umgeleitet, wodurch die Ausfallzeit außerhalb des fehlerhaften Abschnitts minimiert wird. Der Mechanismus, der diese Entscheidung und Umschaltung schnell und ohne menschliches Eingreifen ermöglicht, wird als „Selbstheilung“ bezeichnet.

Diese Art der Automatisierung existierte bereits vor dem Smart Grid. Die Integration von Smart Metern zur Ausfallerkennung und Echtzeit-Sensordaten hat jedoch sowohl die Genauigkeit der Fehlerortung als auch die Wiederherstellungsgeschwindigkeit verbessert. Das Neue am Begriff „selbstheilendes Netz“ ist weniger die automatische Wiederherstellung an sich, sondern vielmehr die Tatsache, dass die Daten, die dieser Beurteilung zugrunde liegen, nun auch Daten von der Verbraucherseite umfassen.

6. Spannungsanstieg und Spannungsregelung durch Wechselrichter

Die erste technische Herausforderung, die mit zunehmender Verbreitung dezentraler Energiequellen auftritt, ist der Spannungsanstieg im Verteilnetz. Schreibt man die Impedanz des Verteilnetzes als R+jX, die abgegebene Wirkleistung als P und die Blindleistung als Q, so lässt sich die Spannungsdifferenz zwischen Sende- und Empfangsende näherungsweise wie folgt darstellen:

Wenn die Solarstromerzeugung den Bedarf übersteigt, zeigt P von der Verbraucherseite in Richtung Netzseite (das Vorzeichen kehrt sich um), was tendenziell zu einem Spannungsanstieg am anderen Ende des Verteilnetzes führt. Um dies zu kompensieren, wird eine Kombination von Maßnahmen eingesetzt: Automatische Spannungsregelungsfunktionen ermöglichen es dem Leistungskonditionierer (PCS), die Blindleistung automatisch anzupassen. Q, Überarbeitungen der Steuerlogik von SVRs und automatischen Spannungsreglern sowie Leistungsreduzierung über Batterien. Die Spannungsstabilität ist „die unglamouröseste, aber grundlegendste Herausforderung des Smart Grids“, und wie präzise diese Steuerung erfolgen kann, hängt von der Granularität der AMI-Daten ab.

7. Aktuelle Technologie- und Forschungsschwerpunkte

• Intelligente Zähler der nächsten Generation: Derzeit wird die Kommunikationsstandards und Funktionalität der aktuellen AMI-Systeme überarbeitet, um eine höhere Datenerfassungsfrequenz und stärkere Sicherheit zu erreichen.

• Digitale Zwillinge von Verteilnetzen: Simulation von Leistungsfluss und Spannung auf Verteilleitungen zur Vorbewertung des Umfangs der möglichen Anbindung dezentraler Erzeugungsanlagen.

• Fortschrittlichere Märkte und Steuerung auf Verteilnetzebene: Untersuchung einer Funktion für Verteilnetzbetreiber (DSO), die Spannungs- und Leistungsflussbeschränkungen berücksichtigt.

• Cybersicherheit: Angesichts von Millionen intelligenter Zähler und ihrer Kommunikationsnetze ist die Angriffsfläche groß, daher sind Authentifizierung, Verschlüsselung und Anomalieerkennung unerlässlich. Die Planung ist heute Voraussetzung für den Betrieb.

• DERMS (Distributed Energy Resource Management System): eine Softwareplattform, die eine große Anzahl von Solaranlagen, Batteriespeichern und Elektrofahrzeugen innerhalb der Grenzen des Verteilnetzes koordiniert und steuert.

Zusammenfassung: Das Smart Grid ist „ein Verteilnetz mit einem mehrschichtigen Informationssystem“

Das Smart Grid ist keine einzelne Technologie, sondern ein System aus mehreren Schichten: Messung über intelligente Zähler, verschiedene Kommunikationsprotokolle, bedarfsorientierte Nutzung durch Lastmanagement und selbstheilende Verteilnetzautomatisierung. Gemeinsam ist ihnen der Versuch, einen Energiefluss zu steuern, der durch dezentrale Energiequellen bereits physisch bidirektional ist – und zwar durch bidirektionalen Informationsfluss.

Bei der Untersuchung der Smart-Grid-Initiativen einer Region sollten folgende Punkte geprüft werden:

1. Welcher Kommunikationsweg und welches Protokoll tauschen welche Daten aus?

2. Wer ist für das Spannungsmanagement zuständig (PCS, SVR, Batterie) und in welchem Zeitrahmen?

3. Ist das Lastmanagement anreiz- oder tarifbasiert, und an welchen Markt oder Vertrag ist es angebunden? Wozu?

4. Wie viel der automatischen Wiederherstellung im Fehlerfall erfolgt ohne menschliches Eingreifen?

Wenn Sie diese vier Punkte berücksichtigen, können Sie hinter die Schlagzeile „Intelligente Stromzähler werden immer häufiger“ blicken und die zugrundeliegende Designphilosophie des Verteilungsnetzes verstehen.

Referenzen

• Agentur für natürliche Ressourcen und Energie – Zusammenfassung der Studiengruppe für intelligente Stromzähler der nächsten Generation
• Agentur für natürliche Ressourcen und Energie – Zum Widerspruch gegen intelligente Stromzähler
• ECHONET Lite Spezifikation/Übersicht
• Kyushu Elektrische Energieübertragung und -verteilung – Automatisches Verteilungsleitungssteuerungssystem
• Agentur für natürliche Ressourcen und Energie – Modernisierung des Stromnetzes
• Organisation für die regionenübergreifende Koordinierung der Übertragungsnetzbetreiber, Japan (OCCTO)
• IEC 61850 – Kommunikationsnetze und -systeme für die Automatisierung von Energieversorgungsunternehmen
• NREL – Netzmodernisierung