Multifunktionale Schutzrelais

Potenziale erschließen, Ressourcen schonen

Die neue Lösung zur Überwachung und zum Schutz von Anlagen zur Energieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen sind die multifunktionalen Schutzrelais Ekip UP von ABB, die sämtliche Digitalisierungsanforderungen für die Energieverteilung in den Bereichen Überwachung, Schutz und Steuerung erfüllen. Zudem bieten sie Benutzerfreundlichkeit, Flexibilität sowie modulare Plug&Play-Lösungen.

Der Anschluss aktiver Verbraucher wie Solarparks an das öffentliche Energieverteilnetz ist an bestimmte gesetzliche Bestimmungen gekoppelt. (Bild: ABB Stotz-Kontakt GmbH)

Der Anschluss aktiver Verbraucher an das öffentliche Energieverteilnetz ist an gesetzliche Bestimmungen gekoppelt. Das Schnittstellenschutzsystem (IPS) ist ein Relais mit speziellen Schutzfunktionen, durch die sich die Vorgaben problemlos erfüllen lassen. Dies gilt insbesondere für Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung und Produktionsanlagen, die eine Niederspannungsquelle aus Solarenergie, Wind- oder Wasserkraft nutzen. Wann immer die Spannungs- und Frequenzwerte des Netzes außerhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Bereiche liegen, muss das in der Anlage des Anwenders installierte Energieerzeugungssystem vom Netz getrennt werden. Die Trennung erfolgt durch ein Schnittstellengerät (ID), das auslöst, wenn es einen Öffnungsbefehl vom IPS empfängt. In Solarparks, die mit String-Wechselrichtern und entsprechenden Sicherungen betrieben werden, sind häufig selektive Schutzrelais gegen Erdschluss (REF) in der Verbindung zur Nieder- und Mittelspannungsschaltanlage verbaut. Im Fall eines nicht durch den Niederspannungsleistungsschalter abschaltbaren Fehlerstroms erhält der vorgeschaltete Mittelspannungsleistungsschalter einen Befehl zur Trennung der Schaltanlage. Dies ist die effektivste und zugleich wettbewerbsfähigste Lösung, um die Betriebssicherheit der Anlage zu gewährleisten. Eine weitere Anforderung besteht darin, die Wirkleistungseinspeisung in das Netz des Versorgungsunternehmens zeitweilig unterbrechen zu können. Hierfür muss die in der Anlage erzeugte Energie entsprechend dem geringeren lokalen Verbrauch reduziert werden. Andererseits muss der Verbrauch vor Ort optimiert werden, um die grüne Energieerzeugung zu maximieren. Diese Anwendungen erfordern zunehmend mehr Energieüberwachung, die grundlegend für die Wettbewerbsfähigkeit von Energieerzeugungsanlagen aus erneuerbaren Energiequellen ist. Zu den häufigsten Anforderungen, die es zu erfüllen gilt, zählen bidirektionale Messung, Kommunikation mit lokalen Überwachungssystemen sowie Anbindung an Energiemanagementsysteme.

Die Digitaleinheit Ekip UP von ABB erfüllt Anforderungen wie bidirektionale Messung, Kommunikation mit lokalen Überwachungssystemen sowie Anbindung an Energiemanagementsysteme in einem einzigen, vielseitig einsetzbaren Gerät. (Bild: ABB Stotz-Kontakt GmbH)

Lösungen

In den Versionen Protect+ und Control+ erfüllt die neue Digitaleinheit Ekip UP von ABB alle Anforderungen in einem einzigen, vielseitig einsetzbaren Gerät. In aktiven Anlagen, die an das Mittelspannungs-Verteilnetz angeschlossen sind, übernimmt das Ekip UP auch IPS-Relais-Funktionen. Diese erweiterte Funktion wird ermöglicht, da es die Norm CEI 0-16 erfüllt. Diese wiederum orientiert sich an den europäischen Normen EU 2016/631, EU 2016/1388 und EU 2016/1447. Zu den insgesamt 35 Schutzfunktionen des Ekip UP zählt auch der Erdschlussschutz REF (ANSI 87) durch Summenstrom-Ringkernwandler, die im Sternpunkt der Mittelspannungs-/Niederspannungsschaltanlage installiert sind. REF kann Schalter sowohl durch ein drahtgebundenes Signal als auch über moderne, umfassende Kommunikationsprotokolle wie IEC 61850 steuern. In Hybridsystemen oder Niederspannungsanlagen, in denen es Erzeuger und Verbraucher gibt, kann das Ekip UP die Solarstrings mittels Richtungsschutz RP (ANSI 32R) am Einspeisepunkt ins Stromnetz abschalten, um sie wieder zyklisch aufzuschalten, sobald die Auslösebedingungen nicht mehr bestehen. Dies wird durch die integrierte Lastabwurflogik ermöglicht. Von lokalen Überwachungssystemen kann das Ekip UP das zu importierende Leistungsbegrenzungssignal vom Energieversorger empfangen. Damit kann es die Leistung mit den eigenen Regelalgorithmen (Power Controller) so steuern, dass die Lasten in der Anlage vor allem aus den verteilten Energieressourcen vor dem Stromverteilungsnetz versorgt werden. Diese Logiken können auch in den Demand-Response-Programmen mit dem Netzbetreiber oder Lastaggregatoren verwendet werden. Dank seiner Vielseitigkeit kann das Ekip UP die Schwellenwerte für den Anlagenschutz (Adaptive Protections) auf Basis der Netztopologie anpassen und Logiken für die Koordination und Auswahl von Ressourcen in der Anlage erstellen. Das Ekip UP kann über neun Kommunikationsprotokolle sowie ein integriertes Gateway kommunizieren, das die Übertragung von über 3.000 gemessenen Energiedatenpunkten an die Plattform ABB AbilityTM EDCS erlaubt. Durch bidirektionale Messungen der wichtigsten elektrischen Parameter – wie Strom, Spannung, Leistung, Energie, Leistungsfaktor – und den integrierten Netzanalysator zur Ermittlung der elektrischen Qualität bis zur 50. Oberwelle werden zusätzliche Geräte wie Multimeter und externe Gateways überflüssig. Die digitale Einheit verfügt über Datenlogger mit zwei Datenspeichern zur Fehlerdiagnose.

Das Ekip UP kann über neun Kommunikationsprotokolle sowie ein integriertes Gateway kommunizieren und erlaubt die Übertragung von über 3.000 gemessenen Energiedatenpunkten an die Plattform ABB Ability EDCS. (Bild: ABB Stotz-Kontakt GmbH)

Einsatz als Schnittstellenschutzsystem

Bei Unterbrechungen auf der Ebene des Verteilnetzes erkennt das Ekip UP, dass die Spannungs- und Frequenzwerte außerhalb des vorgeschriebenen Bereichs liegen. Laut Referenzstandards muss das lokale Erzeugungssystem durch eine Schnittstelle von der Anlage trennbar sein. Der Einsatz des Ekip UP als Schnittstellenschutzsystem (IPS) bietet mehrere Vorteile: Ekip UP führt Schnittstellenschutzfunktionen mit jedem Niederspannungsschaltgerät (offene und geschlossene Schalter oder Leistungsschalter sowie Schütze) durch und schaltet automatisch ein, sobald die Netzbedingungen wiederhergestellt sind. Das Relais erfüllt eine Doppelfunktion als Schnittstellenschutzsystem und Generatorschutz (SPDG). Dies kommt besonders bei rotierenden Maschinen wie Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder Kleinwasserkraftwerken zum Tragen. Im Schutzsystem der Schaltanlage werden hierdurch weniger Komponenten benötigt. Die Software Ekip Connect 3 erlaubt die sofortige, intuitive Inbetriebnahme und macht das Ekip UP besonders benutzerfreundlich. Das Produkt ist mit Einstellungen gemäß Norm CEI 0-16 sowie den auf dem Schaltplan dargestellten Logiken zum Wiederherstellen der Verbindungen vorkonfiguriert.

Schnittstelleneinheit

Es folgt ein Beispiel der Komponenten zum Aufbau einer Schnittstelleneinheit nach CEI 0-16 (Standard IEC), wobei das Ekip UP als IPS in einem Dreiphasensystem mit einer Nennspannung von Ue = 400 V fungiert. Hierzu folgende Anmerkungen: Empfohlenes Schranksystem: ABB System Pro E Power oder gleichwertig. Für den Fall, dass das Schnittstellengerät nicht abgeschaltet werden kann, muss bei aktiven Systemen mit über 400kW Leistung Redundanz vorgehalten werden. Dies kann ein Schütz in entsprechender Größe sein. Empfohlene Familie: ABB AF oder gleichwertig. Als 24/48V DC-Netzteil wird ABB CP-D 24 1.3 oder gleichwertig empfohlen. Weitere ABB Netzteile sind in der CP-Reihe (zum Beispiel CP-E/CP-C.1- und CP-B-Puffermodule) verfügbar. Die Verantwortung für den Widerstand zur Bedämpfung der Ferroresonanz bei homopolarer Mittelspannung liegt beim Konstrukteur. Er wird empfohlen, wenn ein Spannungswandler Mittelspannung/Niederspannung verwendet wird. Bei einem ABB Transformator TJC ist dies ein Widerstand Tesla TR 318 22R/J. Weiteres optionales Zubehör wie Niederspannungs-/Niederspannungs-Spannungswandler-Schutzsicherungen liegt in der Verantwortung des Konstrukteurs, zudem hängt sein Einsatz von den verwendeten Transformatoren ab. Empfohlene Familie: ABB HR C. Der Öffner sorgt für optionale Redundanz und wird entsprechend der verwendeten Schnittstelle ausgewählt. Auf Wunsch des Netzbetreibers muss ein GSM-Modem zur Fernbedienung eingebaut werden. Empfohlenes Modell: ABB ATT oder gleichwertig.

Einsatz als Differential- und Erdschlussschutz

In Solarparks mit durch Sicherungen geschützten String-Wechselrichtern ist die aus der Umspannstation kommende Niederspannungseinspeisung nicht mit Leistungsschaltern ausgestattet. Auf diese Weise wird eine ökonomische Lösung gewährleistet. Es werden nur im Bedarfsfall Leistungsschalter installiert, z.B. zur Isolierung während einer Transformator-Wartung. Zum Schutz der Leitung sollten Differential- und Erdschlussschutz-Relais (REF) vorgesehen werden. Diese erkennen Erdschlüsse und können sie mit Hilfe des vorgeschalteten Leistungsschalters auf der Mittelspannungsseite trennen. In den Versionen Protect+ oder Control+ misst das Ekip UP den Durchgangsstrom im Kern des geerdeten Mittelspannungs-/Niederspannungstransformators mit einem homopolaren Ringkernwandler. Basierend auf dem Gext-Parameter sendet es dann den Trennbefehl an den Mittelspannungsschalter. Dieses Signal kann über einen verdrahteten Ausgang des Ekip Signalling Moduls und/oder per Kommunikationsprotokoll übertragen werden, zum Beispiel als GOOSE IEC 61850-Meldungen an das Mittelspannungsrelais. Der Einsatz von Ekip UP als Differential- und Erdschlussschutz-Relais bietet eine ganze Reihe von Vorteilen: Ekip UP misst nicht nur den Strom im Sternpunkt des Transformators, sondern unter Verwendung der eigenen Rogowski-Sensoren auch die Ströme der Versorgungsleitung. Auf diese Weise lassen sich sowohl selektive als auch nicht selektive Erdschlüsse erkennen. Mögliche Trennsysteme können somit genutzt werden, um die Kontinuität des Mittelspannungsbetriebs zu verbessern. Zudem sind in die digitale Einheit diverse Ethernet-basierte Protokolle integriert. Damit lassen sich Informationen über Schutzmaßnahmen und Alarme an die Überwachungssysteme der Solaranlage senden, ohne dass Signalkonverter erforderlich sind. Das Relais kann die Energiequalität überwachen. Insbesondere erkennt es Oberwellenanteile, die sich aus Störungen durch String-Wechselrichter ergeben. Es zeigt diese oberhalb der voreingestellten Schwellenwerte an, ohne dass andere Geräte wie Multimeter oder eine SPS benötigt werden. In Systemen mit 800V Nennspannung arbeitet es zudem mit einem Spannungswandler.

Einsatz als Monitoring-System

Die Überwachung der Energie aus erneuerbaren Quellen spielt eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, die wirtschaftliche Rentabilität der jeweiligen Investition zu bewerten. Lokale Monitoring-Systeme kommen üblicherweise in großen Solarparks zum Einsatz. Bei dezentraler Erzeugung, beispielsweise Aufdach-Solaranlagen oder Kleinwasserkraftwerken, werden sie seltener verwendet. Ekip UP als Teil der ABB Ability-Architektur ermöglicht die direkte Anbindung seiner Daten an Remote-Energiemanagementsysteme. Das Schutzrelais sendet seine 3.000 gemessenen Energiedatenpunkte über neun Kommunikationsprotokolle (plus redundante) direkt nutzbar an lokale Systeme sowie an die Cloud-basierte ABB Ability EDCS-Plattform, sodass ein Plug-and-Play-Monitoring implementiert wird. In Solaranlagen wird die Digitaleinheit üblicherweise auf der allgemeinen Anlagenebene angeordnet. Sie sammelt Informationen über Stromwerte und den Status von bis zu 96 String-Combinern über CMS700-Schnittstellen und Ekip Signalling Modbus TCP. Damit lässt sich eine sofortige Cloud-Architektur realisieren. Da die gesamte Funktionalität in das Relais integriert ist, sind externe Gateways sowie entsprechende Verdrahtungen und Konfigurationen nicht mehr erforderlich.

Beispiel für den Einsatz des Ekip UP als Schnittstellenschutzsystem (Bild: ABB Stotz-Kontakt GmbH)

Einsatz zur Rückleistungs-Steuerung

In einigen Ländern, beispielsweise den Vereinigten Arabischen Emiraten, ist eine Rückspeisung aus dem Niederspannungsnetz unzulässig. In Deutschland wird dies hingegen durch die Anwendungsregeln VDE-AR-N 4100 und VDE-AR-N 4105 geregelt. Wenn in solchen Ländern also die Anlage mehr Solarstrom erzeugt als die Last verbraucht, muss die Stromerzeugung gedrosselt werden, um Strafzahlungen zu vermeiden. Verteilnetze sind in der Tat oft nicht für die Aufnahme von Leistung aus dezentralen aktiven Quellen geeignet. Ekip UP Protect, Protect+ oder Control+ integrieren den Rückleistungsalarm (RP) und die Lastabwurflogik, mit denen dieses Problem vermieden werden kann. Sobald Sensoren an der Schnittstelle des Verteilnetzes ein Rückleistungsereignis erkennen, kann das Ekip UP über seinen verdrahteten Ausgang, der auf das Ereignis „RP-Alarm“ am Statuseingang 4 programmiert ist, die Trennung der als aktive Lasten betrachteten Erzeugungseinheiten aktivieren. Oft handelt es sich bei diesen Erzeugungseinheiten um PV-String-Wechselrichter, die vom Ekip UP beispielsweise über motorisierte Leistungsschalter oder Schütze gesteuert werden. Wenn möglich, erfolgt die Steuerung auch über eine relative digitale Schnittstelle, die an Ekip Signalling Module wie das Ekip 10k aus der Ekip UP-Reihe angebunden ist. Ist das Versorgungsnetz wieder aufnahmebereit, wird der Alarm beendet und die Wechselrichter werden wieder der Reihe nach mit einer konfigurierbaren Verzögerung aufgeschaltet. Im Ekip UP ist bereits eine von ABB programmierte und gemeinsam mit dem Rückleistungsereignis getestete Lastabwurflogik integriert. Folglich muss diese nicht mehr extern in der SPS eingerichtet werden, was eine deutlich geradlinigere Implementierung erlaubt. Mit einer einzigen Einheit verringern sich zugleich die Anzahl der Komponenten in der Verteilung, die Komplexität der Verdrahtung und damit auch die Wahrscheinlichkeit von Fehlern. Die Logik ist so definiert, dass Strafen unter kritischen Bedingungen vermieden werden. Wenn der Lastabwurf über Schütze ausgelöst wird, sind Rückmeldungen möglich.

Einsatz zur Leistungssteuerung von Lasten

Über einen eigens entwickelten Algorithmus („Power Controller“) können Ekip UP Control oder Control+ auch die von den Lasten aufgenommene Leistung verwalten. In einem Microgrid mit Akkusystemen (Batterien) werden alle wichtigen Versorgungseinrichtungen überwacht. Das Scada-System nutzt das Kommunikationsprotokoll, um gemäß der Selbstverbrauchsoptimierung festzulegen, welche Leistung vom Netz zu trennen ist. Das Ekip UP wird an der Schnittstelle zum Verteilnetz angeordnet und wirkt mit seinen Ein-/Ausgängen über die entsprechenden motorbetriebenen Schalter oder Schütze so auf die Last, dass die durchschnittliche Leistung in einem festgelegten Zeitfenster unterhalb der per Scada festgelegten Leistung bleibt. Der patentierte Ekip UP Algorithmus, der die von den Lasten aufgenommene Leistung verwaltet, erlaubt die Aktivierung der Energieeffizienzlogik ohne jegliche Programmierung. Auf diese Weise ist nur die Definition von Parametern für die Einstellungen erforderlich. Die Einheit verfügt über Protokolle für die bidirektionale Schnittstelle zu Scada-Systemen, ohne dass zusätzliche Konverter benötigt werden. Der Power Controller kann auch in Demand-Response-Programmen eingesetzt werden und verbessert dort die relative Rentabilität für Anlagenbetreiber.

Fazit

In den letzten zehn Jahren wurden weltweit mehr als 50 Millionen offene Leistungsschalter und 300 Millionen Kompaktleistungsschalter aller Marken installiert, die weder über fortschrittliche Funktionen zur Überwachung noch über Ressourcenoptimierung verfügen. Es besteht daher ein großes Potenzial für eine Technologieerweiterung in bestehenden Anlagen, wobei jedoch große Auswirkungen auf Investitionen wie den Gerätetausch vermieden werden müssen. Eine multifunktionale, flexibel einsetzbare Einheit wie Ekip UP kann hier große Potenziale erschließen und Ressourcen schonen.