Nicht-intrusive Strommessung per NIALM-Methode

Aufgrund der steigenden Energiekosten und der Tatsache, dass Behörden den Energieeffizienzstandard ISO50001 forcieren, möchten Unternehmen ihren Energieverbrauch selbst überprüfen beziehungsweise steuern und hohe Kosten zu Spitzenverbrauchszeiten vermeiden.

Bild 1: Eine intrusive Messmethode zur Ermittlung des Energieverbrauchs verlangt gegenüber der NIALM-Methode mehrere Multi- oder Single-Point-Nebenzähler und verursacht somit hohe Kosten. LEM

Unternehmen mit mehreren Fertigungsstätten möchten zudem an Programmen der Energieversorger teilnehmen, die Sparanreize in Spitzenverbrauchszeiten bieten, um die elektrische Last zu bestimmten Tages- oder Nachtzeiten geschickt zu verteilen. Hierzulande können Verbraucher sogar Steuervorteile geltend machen, wenn sie Lastspitzen reduzieren. Damit Unternehmen Strategien zur Einsparung von Energie entwickeln können, sind sie auf Möglichkeiten zur Überwachung ihres Energieverbrauchs angewiesen.

Intrusives Messen ein No-Go

Bei traditionell intrusiven Messmethoden müssten Unternehmen mehrere Multi- oder Single-Point-Nebenzähler installieren, die Ein- bis Drei-Phasen-Schaltkreise in jedem lastbezogenen Versorgungsschrank überwachen (Bild 1). Je nach Struktur des Betriebs kann sich die elektrische Verteilung in verschiedenen Versorgungsschränken im gesamten Gebäude befinden, was viele Nebenzähler in nächster Nähe erfordern würde. Diese Methode ist teuer und erfordert einen erheblichen Installations- und Wartungsaufwand.

Eine andere Lösung, um verbraucherspezifische Daten zu erhalten, besteht darin, die Gesamtverbrauchsdaten am Haupttrennschalter aufzuteilen. Die kann mit der NIALM-Methode (Non-Intrusive Appliance Load Monitoring oder nicht-intrusive Lastüberwachung) erfolgen, die auf nur einem Messpunkt und speziellen Signalverarbeitungstechniken basiert (Bild 1).

Bild 2: Mit der NIALM-Methode lassen sich Informationen über den Energieverbrauch einzelner Geräte erheben. LEM

Die NIALM-Methode zur Ermittlung der Aufteilung des Energieverbrauchs (Bild 2) arbeitet mit einer Reihe von statistischen Ansätzen sowie auf Basis von Verbrauchsdaten von Systemen und Geräten, um ein Signal für das gesamte Gebäude zu erhalten, ohne dass dazu Sensoren an jedem Stecker beziehungsweise Stromentnahmepunkt erforderlich sind.

Aufklappbare Stromwandler

Der Energieverbrauch eines Gebäudes lässt sich mit aufklappbaren Stromwandlern der Serie ATO von LEM und anderer Hardware ermitteln (Bild 3). Die Lösung besteht aus drei Elementen:

• Drei ATO Split-Core CT (aufklappbare Stromwandler) für das gesamte Gebäude: Eine elektrische Vorrichtung aus Ferritmaterial mit einer aufklappbaren Öffnung für das nicht-intrusive Umschließen elektrischer Leitungen im Hauptstromversorgungskreis des Gebäudes.
• Ein NIALM-Nebenzähler, der den Energieverbrauch in Echtzeit ermittelt (Bild 2) und die Daten an einen Gateway überträgt.
• Ein Gateway zum Datenempfang und zum Versenden der Verbrauchsdaten an Cloud-basierten Speicher. Der Gebäudemanager kann somit Möglichkeiten finden, mithilfe einer Energiemanagement-Anwendung den Stromverbrauch zu senken.
• Obwohl Ferritmaterialien für Stromsensoren seit Jahren zum Einsatz kommen, sind sie hinsichtlich Sättigung und magnetischer Permeabilität eher ungeeignet. Ihr Einsatz war daher bei niedrigen Frequenzen von 50/60 Hz nicht möglich. Weiterentwicklungen haben die Eigenschaften von Ferriten bei diesen Frequenzen jedoch verbessert. So bieten die neuen Ferrite eine bessere Permeabilität und eignen sich trotz ihrer niedrigen magnetischen Sättigung als Ersatz für FeSi- oder FeNi-Kerne in 50/60-Hz-Stromwandlern.

Bild 3: Lösung zur Ermittlung des Energieverbrauchs in einem Gebäude, bestehend aus drei Stromwandlern und einem NIALM-Nebenzähler. LEM

Mit aufklappbaren Stromwandlern auf Basis der neuen Ferrite lassen sich AC-Messungen auch im genannten Frequenzbereich durchführen. Die überarbeiteten Werkstoffe nutzen die Ferriteigenschaften und ermöglichen selbst bei niedrigen Primärströmen eine hohe Genauigkeit und Linearität.

Immun gegen Alterung

Zudem bieten sie eine geringe Phasenverschiebung zwischen Ein- und Ausgangsströmen, was für die Messung der Wirkleistung oder Energie erforderlich ist. Der harte, kompakte Kern minimiert Luftspalte und ist, im Gegensatz zu anderen Materialien wie FeSi oder FeNi, nahezu immun gegen Alterung und Temperaturschwankungen. Enthalten sind die neuen Ferrite beispielsweise in den Split-Core-Wandlern der Serie ATO von LEM (Bild 4).

Bild 4: Die Split-Core-Wandler der Serie ATO von LEM mit teilbarem Kern ermöglichen die Messung von Wechselströmen bis 125 A. LEM

Die Modelle der Serie ATO sind die einzigen aufklappbaren Stromwandler (CT), die nach IEC 61869-2 zertifiziert sind und einen Nennspannungsausgang von 333 und 225 mV bei Nennstrom I_Pr (Rated Nominal Current) bieten. Außerdem sind die Stromwandler für die Genauigkeitsklassen 1 und 3 ausgelegt, die Maximalwerte für Verhältnis- und Phasenverschiebungsfehler vorschreiben.

Welche Anforderungen die Norm IEC 61869-2 in Sachen Genauigkeit und Phasenverschiebung stellt, zeigt Bild 5. So ist bei einem Primär-Nennstrom (I_Pr) von 75 A (Genauigkeitsklasse 1) eine Genauigkeit von ±1 beziehungsweise ±3 % erforderlich. Diese Werte gelten für I_Pr = 120 % beziehungsweise 5 %. Die Stromwandler der Serie ATO erfüllen diese Anforderungen.

Aus der Ferne steuerbare Nebenzähler

Bild 5: Anforderungen der Norm IEC 61869-2 hinsichtlich Genauigkeit und Phasenverschiebung. LEM

Heute beträgt der Gesamtprozentsatz korrekter Messungen mit Nebenzählern auf Basis des NIALM-Algorithmus etwa 80 bis 90 % – Tendenz steigend. Informationen zum Energieverbrauch können mit Nebenzählern auf Basis von Stromwandlern der ATO-Serie das Verbraucherverhalten beeinflussen und Einsparungen bewirken. Die Nebenzähler lassen sich aus der Ferne ansteuern beziehungsweise auslesen. Nachfrage/Angebot-Programme lassen sich auf dieser Grundlage umsetzen und validieren sowie Unklarheiten zwischen Versorgern und Verbrauchern vermeiden.

(hb)