Präzise Synchronisation für die Energiewirtschaft und das Smart Grid

Das Smart Grid ist ein Konzept des 21. Jahrhunderts, welches die CO²-Emissionen durch eine nachhaltigere Energienutzung reduziert und gleichzeitig den weltweit steigenden Strombedarf deckt. Durch das integrierte Handeln aller Anwender - Generatoren, Verteiler und Verbraucher - kombiniert das Smart Grid innovative Produkte und Dienstleistungen mit fortschrittlichen Überwachungs-, Steuerungs-, Selbstheilungstechnologien und Zwei-Wege-Kommunikation.

Präzision und Zuverlässigkeit sind entscheidend bei der Zeit- und Frequenzsynchronisation von Stromnetzknoten, die in Smart Grid-Anwendungen eingesetzt werden. Genaue Synchronisation beschleunigt eine Vielzahl von Smart Grid-Operationen, wie z.B. Fehlererkennung und Netzwerk-Clearing, Synchrophasermessung zur Überwachung der Netzstabilität, Ablauf der Ereigniszeitstempelung, Datenerfassung, Demand Side Management (DSM), Differentialschutz, Messungen der Frequenzabweichung (FDM), Smart Metering Synchronisation und viele andere Anwendungen.

Aktive Teilnehmer im Smart Grid

Energieerzeuger
Stromerzeuger, erneuerbare Energien und optimierte Speichermöglichkeiten fördern die wirtschaftlichsten Energieformen.

In der Zukunft: Hohe Effizienz für alle Beteiligten
Die effiziente Nutzung erneuerbarer Energien reduziert den Verbrauch fossiler Brennstoffe und die Produktion von Atommüll. Auf das Erreichen dieser Ziele ist die Smart Grid-Infrastruktur optimiert.

Automatisierung von Umspannwerken
Die Ressourcen werden überwacht und gesteuert, um eine kontinuierliche Energieversorgung zu gewährleisten.

Netzwerkbetrieb
Netzbetreiber erhalten Informationen aus Quellen innerhalb der Netzgemeinschaft und senden Daten wie Preis- und Tarifsignale an alle Teilnehmer zurück.

Endverbraucher
Umspannwerke wandeln Strom von der Übertragungsspannung in eine niedrigere Spannung um, die für die lokale Verteilung an Haushalte und Unternehmen verwendet wird.

Endverbrauchergeräte
Erhalten Sie Preis- und Tarifsignale, um intelligente Entscheidungen zur Energienutzung zu treffen.

Meinberg unterstützt die anspruchsvollen Sync-Anforderungen von Stromnetzen mit einer vielseitigen Produktpalette von Zeit- und Frequenzsynchronisationssystemen. Wir bieten flexible, robuste und präzise Synchronisationslösungen gemäß IEEE 1588 PTPv2, IEEE C37.238-2011 Power- und IEC 62439-3 Utility-Profile sowie IEC 61850 Standard für Kraftwerke, Umspannwerke und Endverbraucher.

Synchronisation in Energieversorgungsunternehmen

Als einer der wichtigsten Knotenpunkte im Smart Grid steuern Umspannwerke die optimale Regelung der elektrischen Energie im Netz, einschließlich bestehender Kraftwerke, dezentraler erneuerbarer Energien und Endverbraucher. Die präzise Zeitsynchronisation wird eine noch bedeutendere Rolle spielen, da intelligente Zweiwege-Energieversorgungsnetze voll funktionsfähig werden.

Automatisierung von Umspannwerken

Die präzise Zeitsynchronisation in der Schaltanlagenautomatisierung muss unterschiedliche Anforderungen auf Stations-, Feld- und Prozessebene erfüllen (siehe Abbildung 1). Überwachungs- und Steuerungssysteme, PCs und Remote-Geräte auf Stationsebene erfordern eine Genauigkeit im Millisekundenbereich, die über ein vorhandenes LAN-Netzwerk per NTP- oder SNTP-Zeitprotokoll bereitgestellt werden kann.

Die IEDs (Intelligent Electronic Devices) und MUs (Merging Units) auf Feld- und Prozessebene erfordern Genauigkeiten von 1μs, die auf Basis des IEEE 1588 PTPv2 Protokolls erreicht und mit PTP-konformen Switches aus der Prozessebene angewendet werden.

IRIG-B und 1PPS Signale, die normalerweise für die Zeitsynchronisation auf Feld- und Prozessebene verwendet werden, erfordern eine separate, kostspielige Koaxialverkabelung; ein Meinberg PTP Grandmaster ermöglicht die Synchronisation über ein vorhandenes LAN mit IEEE 1588 PTPv2-konformen Netzelementen und bietet damit eine kostengünstige Lösung mit höchster Präzision.

Synchronisierte Phasenmessungen

Die Phasenmessung zur Überwachung der Stabilität von elektrischen Netzen ist ein weiteres wesentliches Element der Smart Grid-Leistung und basiert auf den Systemen der zeitsynchronisiertes Frequenzmessung (PMUs). Sinusspannungen und -ströme werden als komplexe Werte gemäß IEEE C37.118-2011* dargestellt, Die Phasenwinkel werden durch das IRIG-B-Signal mit einer Genauigkeit von ± 31µs bzw. ± 26µs für 50 bzw. 60 Hz Stromnetze synchronisiert. Meinberg Zeitsysteme bieten eine Vielzahl von IRIG-B Ausgängen sowie IEEE 1588 PTPv2 Synchronisation, die eine noch höhere Genauigkeit bieten um die Anforderungen für zukünftige Stromnetze zu erfüllen.

* Im Jahr 2005 löste die Norm IEEE C37.118 die Norm IEEE 1344 für Synchrophasors in Energiesystemen ab.

Figure: Meinberg timing for Substation Automation

Lösungen von Meinberg Funkuhren für präzise und zuverlässige Frequenzregelung:

Netzfrequenzanalyse in 50/60Hz Versorgungsnetzen

PTP / SyncE / Hardware NTP Interface mit Dual Core CPU

Modulares 1HE Gehäuse für Zeit- und Frequenzsynchronisation

PTP Grandmaster / Slave und NTP Zeitserver für Energieversorger und Smart Grid

Modularer NTP / PTP Zeitserver für Smart Grid Anwendungen

Signalverteiler für PPS, 10 MHz oder IRIG Zeitcode

Konvertiert NTP oder IEEE-1588 zu IRIG, 10MHz, PPS, DCF77 und seriellen Zeittelegrammen

Quellen:

Smart Grids, European technology platform for the electricity networks of the future: http://www.smartgrids.eu/ETPSmartGrids
Hirschmann, White Paper - Data Communication in Substation Automation System (SAS) - Time synchronization in substation automation.
IEEE Power Engineering Society, IEEE C37.118-2011: The IEEE Standard for Synchrophasors for Power Systems.