Kombinierte Technik macht unkalkulierbare Lastschwankungen im Smart Grid leichter beherrschbar

EU-weites Verbot der Neuzulassung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ab dem Jahr 2035, massiver Ausbau der Windkraft-Kapazitäten an Land und auf See, millionenfache Neuinstallation von Wärmepumpen und Solarzellen-Pflicht für Dächer neu errichteter Gebäude: Die forcierte Begrenzung von CO2-Emissionen bereitet Stromnetzbetreibern einiges an Kopfzerbrechen. Auf der Ebene der Niederspannungsnetze ist die Herausforderung massiv zunehmender Lastschwankungen inzwischen aber mit relativ geringem Aufwand gut in den Griff zu bekommen.

Damit Netzbetreiber auf Spitzenlasten im Ortsnetz schnell genug reagieren und drohenden Unterbrechungen der Stromversorgung effizient begegnen können, braucht es nicht nur aussagekräftige Daten aus dem Smart Grid, sondern auch deren permanente und ausfallsichere Einspeisung in das jeweilige Lastmanagement.

Was die Zuverlässigkeit der Datenübertragung insbesondere innerhalb kritischer Infrastrukturen angeht, musste die Glasfasertechnologie jüngst einen herben Rückschlag hinnehmen: Bei Tiefbauarbeiten wurden in Frankfurt am Main versehentlich mehrere Leitungen durchtrennt, was den Flugbetrieb am größten deutschen Airport stundenlang massiv durcheinanderbrachte und zu Ausfällen der regionalen Festnetz-Kommunikation führte. Auf die kritische Infrastruktur der Stromversorgung bezogen, verdeutlicht der Vorfall die absolute Notwendigkeit der Schaffung redundanter und schwarzfallfester Kommunikationsnetze.

LTE450 ab 2025 flächendeckend verfügbar
Mit der neuerlichen Nutzung der 450-MHz-Funktechnologie werden die dafür nötigen Voraussetzungen insbesondere mit Blick auf die Überwachung und Steuerung von Mittel- und Niederspannungsnetzen gegenwärtig geschaffen. Ursprünglich für den Mobilfunk im längst abgeschalteten C-Netz gedacht, wurde der Frequenzbereich von der Bundesnetzagentur inzwischen exklusiv der Nutzung im Rahmen kritischer Infrastrukturen (KRITIS) zugeordnet. Der Zuschlag für die auf 20 Jahre befristete Nutzung des 450-MHz-Bandes erging im März 2021 an die 450connect GmbH mit Sitz in Köln. Als gemeinsames Unternehmen zahlreicher Akteure aus der Energie- und Wasserwirtschaft gegründet, schafft 450connect seitdem die erforderlichen Grundlagen für ein flächendeckendes LTE450-Netz. Noch im laufenden Jahr sollen die von 450connect angebotenen Sprach- und Datendienste für die ersten Regionen verfügbar sein, 2025 wird dann aller Voraussicht nach auch der letzte der insgesamt rund 1.600 Funkstandorte betriebsbereit sein.

„Alte“ Frequenzen erleichtern technische Anpassung
Für die drahtlose Kommunikation im Bereich der Energiewirtschaft ist das 450-MHz-Band mitnichten eine altmodische Funkfrequenz. Im Unterschied zu modernen Standards wie 4G oder 5G können die Signale der deutlich niedrigeren Frequenz problemlos Hindernisse durchdringen und bleiben bis in die Kellerräume von Gebäuden hinein stabil. LTE450 ist damit das ideale Übertragungsmedium für Anwendungen der Energiewirtschaft und als zuverlässiger Backbone für die Smart-Grid-Vernetzung perfekt geeignet. Damit nicht genug, bietet die Nutzung „alter“ Frequenzen (451 bis 455,74 MHz im Uplink und 461 bis 465,74 MHz im Downlink) den großen Vorteil, dass die Endgerätetechnik nicht völlig neu entwickelt werden muss; alle für die Datenkommunikation im 450-MHz-Band erforderlichen Komponenten können mithin nicht nur schnell produziert, sondern auch in kürzester Zeit mit den obligatorischen Zulassungen ausgestattet werden. Für den industriellen Einsatz geeignete Router, die LTE450-ready sind und darüber hinaus auch die parallele Nutzung vorhandener Standards wie LTE, LTE-M oder NB-IoT ermöglichen, werden nach dem Stand der Dinge kurzfristig verfügbar sein und können von den Netzbetreibern bereits sukzessive in Smart-Grid-Infrastrukturen integriert werden, noch bevor das eigentliche Funknetz flächendeckend betriebsbereit ist.

Als schwarzfallfestes System kann das 450-MHz-Funknetz im äußersten Notfall per Batteriebetrieb bis zu 72 Stunden lang weiter funktionsfähig gehalten werden. Damit wird sichergestellt, dass alle verbundenen Anlagen inklusive der Ortsnetzstationen auch unabhängig von anderen verfügbaren Übertragungswegen wie Glasfaserkabel oder Standard-LTE durchgehend erreichbar bleiben und Schaltbefehle jederzeit ausgeführt werden können. Verglichen mit G4 oder G5 ist die Bandbreite von LTE450 zwar deutlich begrenzt, für die Sicherstellung des Netzbetriebs inklusive der vor allem in Krisensituationen notwendigen Sprachkommunikation aber vollkommen ausreichend.

Digitalisierung von Ortsnetzen zwingend erforderlich

Nichtsdestotrotz erfüllt das System letztlich nur dann den gewünschten Zweck, wenn die Zustandsdaten insbesondere aus dem laufenden Betrieb der Niederspannungsnetze auch permanent und in hoher Qualität verfügbar gemacht werden können. Der Aufbau eines ausfallsicheren Kommunikationsnetzes auf der einen Seite, setzt das erfolgreiche Bewältigen der Energiewende daher zwingend auch die konsequente Digitalisierung von Smart-Grid-Infrastrukturen wie Ortsnetzstationen und Kabelverteilschränken voraus. Auch in diesem Zusammenhang sind bereits vergleichsweise einfache Lösungen verfügbar, die eine zügige Anpassung aller relevanten Knotenpunkte parallel zur laufenden Einrichtung des LTE450-Netzes möglich machen.

Ein Beispiel ist das von der EMH Messtechnik GmbH angebotene Smart Grid Interface Modul (SGIM). Zum einen stellt SGIM eine Installationsplattform dar, die als Verbindung zum Sammelschienensystem einer Ortsnetzstation oder eines Kabelverteilers dient und den für die Erfassung von Netzdaten erforderlichen Spannungsabgriff ermöglicht. Andererseits handelt es sich um eine flexibel einsetzbare Elektronikeinheit, die je nach Bedarf mit unterschiedlichsten Mess- und Funkmodulen ausgerüstet werden kann.

Kombination aus SGIM und LTE450 garantiert Steuerbarkeit
SGIM verwandelt Smart-Grid-Strukturen in digitale Datenquellen und bietet die Möglichkeit, den rapide steigenden Anforderungen der Energiewende mit überschaubaren Mitteln zu begegnen. Als wichtige Komponente zur Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit von Niederspannungsnetzen gewährleistet SGIM eine sichere Spannungsversorgung inklusive Gangreserve. Die Gangreserve dient nicht zuletzt dem Zweck, dass Hinweise zu Ausfallgründen und zur Lokalisierung von Störstellen ohne Einschränkungen an das Netzmanagement gemeldet werden können. Über das Monitoring unterschiedlichster Parameter erleichtert SGIM entsprechend den Redispatch 2.0-Vorgaben auch das Netzmanagement und sorgt zugleich dafür, dass die notwendigen Daten über eine integrierte Fernwirkeinheit kontinuierlich verfügbar sind.

Flexibel und individuell programmierbar, kann SGIM je nach Bedarf alle denkbaren Wege der Datenübertragung nutzen, LTE und LoRaWAN wie auch LTE450. Im LTE450-Backbone-Betrieb erfolgt automatisch die Priorisierung von Schaltbefehlen und Sprachkommunikation, um eine Eskalation möglicher Störfälle effizient verhindern zu können. Selbst wenn die sonst üblichen Kommunikationswege wie Glasfaserkabel oder Standard-Funktechnologien ausfallen sollten, gewährleistet die Kombination aus SGIM und LTE450 weiterhin den Zugriff auf alle Kernelemente der Smart-Grid-Steuerung. Und sobald der Normalzustand wiederhergestellt ist, liefert SGIM in gewohnter Form eine Fülle an Zustandsdaten, die das Lastmanagement innerhalb von Niederspannungsnetzen deutlich erleichtern.

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Über EMH
Die 1984 gegründete EMH Energie-Messtechnik GmbH ist spezialisiert auf Mess- und Prüftechnik für die Energieversorgung. Das mittelständische Unternehmen mit Sitz in Brackel entwickelt und produziert Präzisionsmess- und -Prüfgeräte für den Bereich Strom, Spannung und Leistung sowie Online-Analysegeräte für das Isolieröl von Leistungstransformatoren. Neben Standardprodukten liefert EMH kundenspezifische Individuallösungen in Form von Sonderanlagen. Die Produkte werden im Rahmen der Prüfung von Elektrizitätszählern bei eichrechtlich zugelassenen Prüfstellen und bei Verteilnetzbetreibern bzw. Messstellenbetreibern sowie bei Herstellern von Elektrizitätszählern verwendet. Zum Leistungsspektrum von EMH gehört auch die Kalibrierung von Messgeräten für elektrische Gleich- und Wechselgrößen mit einer Genauigkeit von bis zu 51 ppm.

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