Das Elektrizitätsnetz der USA umfasst mehr als 9200 Energieerzeugungs-Einheiten mit einer Gesamtleistung von mehr als einer Million Megawatt sowie Überlandleitungen, die sich über fast eine Million Kilometer erstrecken.

Das Verteilungsnetz, das die Kraftwerke mit Fabriken, Gewerbebetrieben und Privathaushalten verbindet, befindet sich in einem dringend notwendigen Modernisierungsprozess, dessen Ziel es ist, die Belastbarkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern. Der Einsatz von Sensoren bei der Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie gibt den Netzbetreibern die Möglichkeit, den Betriebszustand zu überwachen, alte (und teure) Anlagen zu optimieren, Störungen zu erkennen und die Dauer etwaiger Stromausfälle zu verkürzen.

Bild 1: Sensoren im intelligenten Stromnetz (Smart Grid) erlauben die Fernüberwachung von Anlagenteilen wie etwa Transformatoren oder Überlandleitungen und erleichtern das bedarfsseitige Ressourcenmanagement.

Bild 1: Sensoren im intelligenten Stromnetz (Smart Grid) erlauben die Fernüberwachung von Anlagenteilen wie etwa Transformatoren oder Überlandleitungen und erleichtern das bedarfsseitige Ressourcenmanagement. TI

Sensoren im intelligenten Stromnetz (Smart Grid) erlauben die Fernüberwachung von Anlagenteilen wie etwa Transformatoren oder Überlandleitungen und erleichtern das bedarfsseitige Ressourcenmanagement. Darüber hinaus können Smart-Grid-Sensoren die Wetterverhältnisse und die Temperaturen der Überlandleitungen überwachen, um daraus die Übertragungskapazität dieser Leitungen zu berechnen.

Vernetzte Stromzähler

EckDaten

Durch die Modernisierung der Netze (Smart Grid) und der Steuerungsinstanzen, die miteinander kommunizieren und zusammenarbeiten, um Elektrizität zuverlässiger und effizienter zu den Verbrauchern zu bringen, sollen sich nicht nur Häufigkeit und Dauer von Stromausfällen und die Auswirkungen von Stürmen verringern, sondern es ist auch möglich die Stromversorgung nach Ausfällen zügiger wiederherzustellen. Die Modernisierung eines in die Jahre gekommenen Systems ist keine einfache Aufgabe und lässt sich auch nicht von heute auf morgen umsetzen. Trotzdem birgt sie große Chancen und bietet sowohl Wirtschaft als auch Gesellschaft einen deutlichen Mehrwert.

Verbraucherseitig unterstützen Stromzähler die Konsumenten bei der vermehrten Umstellung auf erneuerbare Energie sowie beim Laden von Elektrofahrzeugen. Doch damit nicht genug: intelligente Stromzähler (Smart Meter) erlauben es den Verbrauchern, sich vermehrt einzubringen und abgestimmt auf ihren Energiebedarf bessere Entscheidungen zu treffen (Bild 1).

Was einst ein Netzwerk aus elektromechanischen Systemen mit einem Minimum an Rückmeldungen und passiven Verbrauchern war, ist inzwischen hochgradig automatisiert und durch den Einsatz von intelligenten Geräten und Modernisierungsstrategien gesteuert.

Das Resultat ist ein stärker ineinandergreifendes Netz zur Bereitstellung elektrischer Energie – von der Erzeugung über die Übertragung bis zur Verteilung und zum Verbrauch. Abgesehen von der Einbeziehung verteilter Energieressourcen ist hierbei für eine vermehrte Zuverlässigkeit und Belastbarkeit des Netzes gesorgt.

Vernetzte Gas- und Wasserzähler

Auch wenn der Einsatz vernetzter Zähler bei der Elektrizität begann, nimmt die Verbreitung der automatischen Zählerablesung (Automatic Meter Reading, AMR) und der Smart Meter auch auf dem Durchflussmesser-Markt (Gas, Wasser, Wärme) zu (Bild 2).

Um die Häufigkeit mechanischer Ausfälle zu reduzieren, die Genauigkeit zu verbessern und Intelligenz einzubringen, profitieren Gas- und Wasserzähler von einer präzisen Ultraschall-Durchflussmessung sowie einem geringen Energieverbrauch. Weitere Vorteile liegen in der drahtlosen Kommunikation zur Vernetzung über große Distanzen hinweg und einem intelligenten Powermanagement zur Maximierung des Wirkungsgrads.

Entgegen den Stromzählern ist bei Gas- und Wasserzählern die Versorgung per Batterie die Regel, was wegen des enger gesteckten Energiebudgets deutlich mehr Herausforderungen birgt. Eine weitere Herausforderung ergibt sich in kommerzieller Hinsicht, denn in vielen Regionen liegt die Versorgung mit Gas und Wasser in den Händen kleinerer Institutionen als die Stromversorgung. So kann es in einem bestimmten Gebiet eine Organisation geben, der das Stromzähler-Netzwerk gehört, während es mehrere Unternehmen gibt, die die Bewohner mit Wasser versorgen.

Wasser- oder Gasversorger, die auf AMR-Technik umstellen möchten, stehen außerdem vor der Entscheidung, ob sie alle bestehenden Zähler ersetzen oder stattdessen ein elektronisches Zusatzmodul installieren wollen, das die Durchflussrate präzise misst und drahtlos übermittelt. Derartige nachrüstbare Module sind eine kostengünstige Lösung, um Konsumenten AMR-Features zur Verfügung zu stellen.

Ultraschall-Messtechnik

Bild 2: Die Verbreitung der automatischen Zählerablesung (Automatic Meter Reading, AMR) und der Smart Meter nimmt auch auf dem Durchflussmesser-Markt (Gas, Wasser, Wärme) zu.

Bild 2: Die Verbreitung der automatischen Zählerablesung (Automatic Meter Reading, AMR) und der Smart Meter nimmt auch auf dem Durchflussmesser-Markt (Gas, Wasser, Wärme) zu. TI

In einem Gas- oder Wasserzähler-Netzwerk ist der Smart Meter der Sensor, der für das Erfassen der Verbrauchsdaten und deren Weiterleitung an die vorgeschalteten Steuerungsknoten zuständig ist. Die Verwendung hochpräziser Ultraschall-Messtechnik trägt zur Verringerung mechanischer Ausfälle bei und macht das System zuverlässiger. Darüber hinaus eliminiert die Ultraschall-Messtechnik den mechanischen Verschleiß, denn sie kommt ohne bewegliche Teile und mechanische Komponenten aus. Die Kosten für die Umstellung auf diese Technik haben sich dank der Einführung von System-on-Chip-Bausteinen (SoCs) für die Ultraschall-Durchflussmessung deutlich reduziert.

Das Ultrasonic-Sensing-Water-Meter-Front-End-Referenzdesign hilft bei der Entwicklung eines auf Ultraschall-Technik basierenden Wasserzähler-Subsystems mithilfe eines integrierten Analog Front Ends (AFE) für die Ultraschall-Technik. Die Lösung verbindet sehr gute Messeigenschaften mit geringem Stromverbrauch und einem maximalen Integrationsgrad. Grundlage des Designs ist das Ultraschall-Sensing-SoC MSP430FR6047, dessen integriertes Ultrasonic-Sensing-Subsystem AFE mithilfe eines auf Wellenform-Erfassung basierenden Konzepts über einen weiten Bereich von Durchflussraten auf eine hohe Genauigkeit kommt. Darüber hinaus hilft das SoC MSP430FR6047 beim Erreichen eines extrem geringen Stromverbrauchs und geringerer Systemkosten, denn aufgrund des maximalen Integrationsgrads sind nur sehr wenige externe Bauteile erforderlich.

Auf ähnliche Weise ermöglicht das Referenzdesign „Battery and System Health Monitoring of Battery Powered Smart Flow Meter“ präzise Stromverbrauchsmessungen und Betriebszustands-Prognosen zur Vorhersage der Batterielebensdauer. Darüber hinaus schützt das Überwachungs-Subsystem vor Überströmen, die die Batterielebensdauer drastisch verkürzen können.

Verteilte Energieressourcen

Das Stromnetz war traditionell eine Einbahnstraße: elektrische Energie floss ausschließlich von den zentralen, im Besitz des jeweiligen Energieversorgungsunternehmens (EVU) befindlichen Kraftwerken über das Übertragungs- und Verteilnetz zu den Endverbrauchern. Inzwischen aber macht die aus Sonnenlicht und Wind gewonnene Energie einen größeren Anteil am Energiemix aus, sodass sich das dynamische Management in Zukunft mehr und mehr durchsetzt. Die EVUs betrachten das Stromnetz demzufolge immer mehr als ein Geflecht, in dem eine zwar geringe, aber steigende Anzahl von Konsumenten mit kleinen, verteilten Systemen ihre eigene Energie produzieren. Privathaushalte nehmen hierdurch die Rolle von Verbrauchern und Energieerzeugern ein (Bild 3).

Sonnen- und Windenergie erzeugen keinerlei CO2 und unterliegen im Unterschied zu fossilen Brennstoffen keinen Preisfluktuationen. Mehr und mehr Regionen, darunter insbesondere jene, in denen Sonnenlicht oder Wind in großem Umfang zur Verfügung steht, erzielen bald die Netzparität, also jenen Punkt, von dem an erneuerbare Energien gleich teuer oder sogar billiger sind als fossile Brennstoffe.

Ein aufstrebendes Segment der Solarstrom-Branche sind die PV-Mikrowechselrichter. Die umfassende Auswahl an isolierten und nicht isolierten Gatetreibern, Strommess-Signalketten, Spannungswächtern und Mikrocontrollern eignet sich für digitale Regelkreise, die sich in netzgekoppelten oder netzfernen Wechselrichtern jeglicher Größe einsetzen lassen können, um die Effizienz der Systeme zu maximieren und die Lebensdauer der Produkte zu verlängern.

Bidirektionales Laden dient der Netzstabilität

Bild 3: Die EVUs betrachten das Stromnetz immer mehr als ein Geflecht, in dem eine zwar geringe, aber steigende Anzahl von Konsumenten mit kleinen, verteilten Systemen ihre eigene Energie produzieren.

Bild 3: Die EVUs betrachten das Stromnetz immer mehr als ein Geflecht, in dem eine zwar geringe, aber steigende Anzahl von Konsumenten mit kleinen, verteilten Systemen ihre eigene Energie produzieren. TI

Elektrofahrzeuge (Pkw, Lkw und Busse) sollen in naher Zukunft die mit fossilen Brennstoffen angetriebenen Fahrzeuge verdrängen. Während das System zur Verteilung elektrischer Energie ursprünglich dafür ausgelegt und gebaut war, den Spitzenbedarf zu decken und auf passive Weise Energie über eine radial ausgerichtete Infrastruktur bereitzustellen, gibt ein smartes Stromnetz nicht nur den Verbrauchern mehr Wahlfreiheit, sondern lässt sich auch lokal, aus der Ferne oder automatisch verwalten. Das Smart Grid versetzt die EVUs in die Lage, sich an geändertes Konsumentenverhalten anzupassen.

Die leistungsfähigsten Elektroautos sind mit Bord-Ladegeräten ausgestattet, deren Leistung bei 10 kW liegt. Hier dürfte schon bald eine Erhöhung auf 15 bis 20 kW erfolgen, um die Ladezeiten zu verkürzen. Kaum ein anderes Gerät im Haus benötigt so viel Leistung – nicht einmal eine Klimaanlage.

Das Konzept des bidirektionalen Ladegeräts schafft die Möglichkeit, die Batterien der Elektrofahrzeuge als Energiespeicher zu nutzen. Angenommen, das in der Garage stehende Elektrofahrzeug kann circa 650 km mit einer Akkuladung fahren. Durch Kommunikation, Cloud Computing und das modernisierte Netz weiß das Auto jedoch, dass sein Besitzer am nächsten Tag nicht mehr als 50 km fahren wird. Die Batterie muss außerdem technisch nicht um 7 Uhr früh vollständig geladen sein. So ist es möglich in der Nacht für den lokalen Verbrauch Energie aus dem Auto zu entnehmen, ebenso kann zu Spitzenlastzeiten eine Rückspeisung in das Netz erfolgen.

Echtzeit-Datenmanagement

Infolge der fortlaufenden, rapiden Umgestaltung des Stromnetzes stehen die EVUs vor gravierenden Herausforderungen im Zusammenhang mit wichtigen Aspekten ihres Geschäfts.

Üblicherweise beruhten die Stromnetze in Städten auf oberirdisch verlegten Leitungen. Erdkabel verdrängen diese Freileitungen jedoch zunehmend. In der Vergangenheit war es für die EVUs relativ einfach, Störungen an Freileitungen einzukreisen. Es genügte einfach ein Wartungsfahrzeug loszuschicken und die Stelle zu ermitteln, an der zum Beispiel ein Baum in die Leitung gefallen war. In allen diesen Situationen war die Ursache für einen Stromausfall klar ersichtlich. Die Modernisierung des Netzes verlangt dagegen nach Kommunikation, Messung und Überwachung in Echtzeit, da sich Störungen an unterirdisch verlaufenden Leitungen nicht visuell erkennen lassen.

Das Echtzeit-Datenmanagement ist deshalb für die Stromnetze der EVUs heute so wichtig wie nie zuvor. Es geht dabei darum, die Daten in die Hände jener Instanzen zu geben, die am meisten damit anfangen können. Mobilgeräte sind eine umgehend verfügbare Plattform für die Zustellung von Daten und die Steuerung des Smart Grid sowie auch der vielfältigen Energiequellen – darunter auch die PV-Panels, die ein Mikronetz bilden. Wi-Fi und Bluetooth eignen sich sehr gut als Medium für die Netz-Konnektivität. Bei Bedarf kann auch ein zwischengeschaltetes Gateway eine Option sein.

Das von TI angebotene Grid-IoT-Referenzdesign „Connecting Circuit Breakers and Sensors to other Equipment using Wi-Fi“ ist für die Echtzeit-Anlagenüberwachung im Smart Grid konzipiert (per Wi-Fi-Kommunikation lassen sich Ströme, Spannungen und Temperaturen überwachen). Außerdem soll es kürzere Reaktionszeiten bei der Detektierung von Störungen und eine Verkürzung der Dauer von Stromausfällen ermöglichen.

Das Design macht deutlich, wie die Wi-Fi-Integration eine geeignete Lösung für Umspannwerk-Ausrüstungen und Trennschalter in Privatgebäuden ist, wenn eine hohe Datenrate und eine große Bandbreite gefordert sind. Alternativ bietet sich auch die Sub-Gigahertz-Konnektivität als drahtloses Übertragungsmedium an, wenn es für die Automatisierung von Umspannwerken und Verteilung erforderlich ist, Daten mit geringem Stromverbrauch über große Distanzen zu übertragen. Nützlich ist dies beispielsweise, wenn mehrere Knoten (Störungsmelder) Daten an einen Datensammler übertragen müssen, sodass also ein sternförmiges Netz nötig ist. Beide Übertragungsverfahren stehen in den stromsparenden Arm-Mikrocontrollern der Simple-Link-Familie und dem grundlegenden Simple Link Software Development Kit (SDK) zur Verfügung, das eine hundertprozentige Wiederverwendung des Codes und einen nahtlosen Wechsel zwischen verschiedenen drahtlosen Übertragungstechniken ermöglicht.