Richtig „spannend“: Fehlersuche 4.0 im Netz

Funktechnologie für die Fernüberwachung von Trafostationen: Sie kann aufwendige Fehlersuchen und Kontrollfahrten einsparen – gerade in großflächigen Versorgungsgebieten mit entlegenen ländlichen Regionen. (Foto: ED Netze)
Funktechnologie für die Fernüberwachung von Trafostationen: Sie kann aufwendige Fehlersuchen und Kontrollfahrten einsparen – gerade in großflächigen Versorgungsgebieten mit entlegenen ländlichen Regionen. (Foto: ED Netze)

Störungen in Mittelspannungs-Verteilnetzen und ihren Ortsnetzstationen werden in der Regel über Kurz- und Erdschlussanzeiger geortet. Je schneller das passiert, umso besser, denn dann kann die Stromversorgung rasch wiederhergestellt werden. Aber was, wenn der Netzausfall in eher entlegenen ländlichen Regionen geschieht? Und bereits die Anfahrt der Betriebsmonteure Zeit kostet? Die Lösung heißt Fernüberwachung. Sie verhindert aufwendige Fehlersuchen und Kontrollfahrten: Im Zusammenspiel mit dem Internet of Things (IoT) ist es inzwischen möglich, hier fast punktgenau eine Störung aufzuspüren – um ihre Folgen für die Netzkunden dank klarer Datenlage so rasch wie möglich zu minimieren und zu beheben.

von Sonja Sahmer

Der südbadische  Netzbetreiber ED Netze zum Beispiel trägt die Verantwortung für rund 13.000 Kilometer Kabel- und Freileitungen auf allen Spannungsebenen. An sein Mittelspannungsnetz (20-kV-Netz) sind fast 4.000 Ortsnetzstationen angeschlossen. Das macht in der Summe viele Möglichkeiten, wo es ungeplant zu Netzunterbrechungen kommen kann. Nicht anders sieht es deutschlandweit bei den hunderten Mitbewerbern im Netz aus. Denn nicht immer ist es eben der Bagger, der bei Bauarbeiten trotz zuvor eingeholter Leitungsauskunft doch ein Erdkabel zerstört – oder der offensichtlich sturmbedingt umgestürzte Baum, der eine Freileitung mit sich gerissen hat. Unverhofft kommt oft: Dann heißt es, schnell den Fehler zu finden, um rasch reagieren zu können.

Eine breit aufgestellte Fernüberwachung in der Verbundleitstelle ist daher von Vorteil. Dann ist es möglich, zeitnah die Störungsquelle ziemlich genau einzugrenzen. Im Idealfall wird durch das ferngesteuerte Ab- und Zuschalten von Trafostationen der Netzausfall in einem weiteren Schritt derart geschickt klein gehalten, dass binnen Kürze zumindest nur noch wenige Netzkunden tatsächlich ohne Strom sind. Doch Zaubern können die Betriebsmonteure auch dann trotzdem nicht: Wenn die Netzstörung in eine eher entlegene Ecke des Versorgungsgebiets geortet wird, fallen dennoch Anfahrt- und Reparaturzeit an. Aber: Die meist ungleich längere Fehlersuche entfällt.

Genaue Daten, schnellere Reaktionszeit

Damit die Elektrotechniker jedoch derart zügig ihren Einsatzort kennen und so schnell wie möglich mit dem eigentlichen Reparieren des Leitungsschadens beginnen können, spielen immer mehr digitale Komponenten und stete Datenflüsse eine große Rolle – dank denen die Netzbetreiber im Stromnetz immer „intelligenter“ agieren können. Nicht nur, weil sie aufgrund des wachsenden Anteils der Erneuerbaren Energien und dezentralen Einspeiser eher mittel- denn langfristig ein smartes Einspeise- und Lastmanagement brauchen, sondern auch, um eben Versorgungsunterbrechungen in der Summe zu minieren. Zumindest aber um deren einzelne Ausfallzeiten zu reduzieren.

Wie die Bundesnetzagentur Ende August 2021 mitteilte, bekam immerhin 2020 jeder Haushalt oder jede Firma hierzulande durchschnittlich nur noch rund 10,73 Minuten lang keinen Strom. Bundesweit war die Dauer der Versorgungsunterbrechungen damit um 1,47 Minuten kürzer als ein Jahr zuvor. Das ist der mit Abstand niedrigste Wert seit dem Start der Statistik 2006, wo er 21,53 Minuten betrug. Und das, obwohl im Vorjahr 860 Netzbetreiber insgesamt 162.224 Versorgungsunterbrechungen in der Nieder- und Mittelspannung übermittelten, 2.400 mehr als 2019.

Das gute Ergebnis kommt nicht von ungefähr: Mehr Informationen und einfache Warnsignale, die dank moderner Kommunikationstechnik den Verbundleitstellen in Echtzeit zur Verfügung stehen, machen es möglich. Die Betreiber rüsten ihre Netze entsprechend immer mehr auf – dem sogenannten Netz der Dinge sei Dank.

Internet of Things: Daten treffen Kommunikation

Das Internet der Dinge, das Internet of Things (IoT), umfasst jedes physische Objekt, sprich „Ding“, das mit Sensoren, Software und vor allem Kommunikations-Technologien ausgestattet ist und dadurch mit anderen Geräten oder Systemen wie auch dem Internet verbunden werden kann. Ziel ist ein Datenaustausch, der letztlich eine Reaktion ermöglicht.

Das IoT wird oft als Anstoß und zugleich Teil der sogenannten Industrie 4.0 bezeichnet: als die Verbindung zwischen der virtuellen und der realen Welt. Sein Anwendungsbereich erstreckt sich von einer allgemeinen Informationsversorgung zwecks Produktverbesserung oder optimierten Fertigung über Wartungseffizienz oder automatische Bestellungen bis hin zu einfachen Warn- sowie Notfallfunktionen, wie im Fall der Stromnetze. IoT-Lösungen können dort etwa beim Energie sparen helfen (Wann rechnet sich welche Stromnutzung?) oder auch zur „Abfallvermeidung“ beitragen (Wo im Strom-, Wasser- oder auch Gasnetz gibt es ein Leck, das schnell geschlossen werden muss?).

Die gewaltigen Datenmengen, die dabei entstehen und meist in einer Cloud abgespeichert werden, werden dabei zunehmend von Künstlicher Intelligenz (KI) statt „menschlichen“ Analysetechnikern ausgewertet. Das IoT hat sich damit quasi zum Treiber der KI entwickelt, denn deren Algorithmen lassen sich mit „Datenmassen“ am besten weiterentwickeln und verbessern. Was am Ende wiederum den IoT-Reaktionsmöglichkeiten zugutekommt. Wichtig bei alldem sind die verwendeten Funk-/Sendefrequenzen bzw. Mobilfunkstandards für eine sichere Kommunikation.

Kleines Bonmot: Der Begriff IoT tauchte in der Form erstmals 1999 auf, die Idee vernetzter Geräte gibt es aber bereits seit den 1970er-Jahren.

Die Netzbetreiber nutzen vielfältig Sensoren mit Sendefunktionen, die mit langlebigen Batterien oder Akkus ausgestattet vor allem in Ortsnetzstationen an dortige Messgeräte wie zum Beispiel Kurz- und Erdschlussanzeiger montiert werden und ohne große Installation sofort einsetzbar sind. Angelegt als einfache Plug- & Play-Lösungen sind mit ihnen kostengünstige und professionelle Netzzustandsüberwachungen „aus der Ferne“ möglich – auch bei großen Einsatzbereichen wie den Versorgungsgebieten von (Verteil-)Netzbetreibern.

Um beim Beispiel ED Netze zu bleiben und die denkbaren räumlichen Dimensionen zu veranschaulichen: Dort erstreckt sich das betroffene Wartungsgebiet vom Rheintal im Westen über den südlichen Schwarzwald bis zu den Bodenseeausläufern im Osten. Trotz elf Standorte ist aber längst nicht jeder Landstrich in der Region im Notfall schnell erreichbar. Eine Zeitfaktor-Situation, die auch für viele andere Netzbetreiber zutrifft. Sie bauen daher ihre Fernüberwachung aus.

Übrigens auch an anderen Stellen im Netz. So werden im Fall von ED Netze zum Beispiel bereits die Leistungsschalter in Umspann- und Schaltwerken digital überwacht, ebenso die abgehende Stromstärke in Trafostationen. Dahinter steht ein klares Ziel: Mehr Transparenz im Netz für mehr Versorgungssicherheit.

Zumal gerade eine schnellere Lokalisierung von Netzstörungen letztlich kürzere Ausfallzeiten bedeutet, weil – wie mehrfach erwähnt – statt einer vorgeschalteten Suche sofort die notwendige Reparatur starten kann. Damit der Strom schnell wieder fließen kann.

Schmalbandige Funktechnik, geringe Datenraten

Möglich macht das in Fall eines Kurzschlusses eine State-of-the-Art-Übertragungstechnik namens Low Power Wide Area Networks (kurz LPWAN), was man etwa mit Niedrigenergie-Weitnetzwerk übersetzen könnte.

Dahinter verbirgt sich eine ganze Gruppe stromsparender WAN-Technologien (kurz für Wireless Area Networks). Sie verbinden batteriebetriebene Geräte mit geringer Bandbreite und niedrigen Bitraten über lange Distanzen miteinander. Auch kann eine große Anzahl von Geräten problemlos in ein solch „kabelloses“ Netzwerk eingebunden werden.

LPWAN wurden insbesondere für sogenannte Machine-to-Machine- (kurz M2M) und die bereits genannten IoT-Netzwerke entwickelt. Die Unterschiede zwischen beiden sind für den Laien kaum ausmachbar, zumal die Begriffe oft auch synonym verwendet werden: M2M steht dabei für einen automatisierten Informationsaustausch zwischen Endgeräten untereinander oder mit einer zentralen Leitstelle – beschränkt sich aber meist auf die reine Datenübertragung. IoT ist ein bisschen umfassender gemeint, da es alle Geräte, die sich in dem Netzwerk austauschen (und immer öfter auch interagieren können), beschreibt.

LPWAN: Viele Arten und Formen

Derzeit sind verschiedene LPWAN-Standards bzw. -Konzepte verfügbar (wie etwa NB-IoT von 3GPP, LoRaWAN der LoRa Alliance oder auch Sigfox, um nur ein paar Namen zu nennen), die sogenannte lizenzierte oder nicht-lizenzierte Frequenzen verwenden. Dahinter verbirgt sich eine Unterscheidung, die in den Anfängen von Radio und Fernsehen liegt, aber an dieser Stelle etwas zu weit wegführt (Lesetipp: Hier ist dieser Aspekt beschrieben.).

Einige LPWAN benutzen dabei proprietäre, sprich im Eigentum befindliche, herstellerspezifische Standards, andere basieren auf offenen Standards, die frei zugänglich sind. Sie unterscheiden sich in der Regel in ihren Reichweiten (geographisch wie in der Durchdringung von Hindernissen wie Wänden usw.), den verwendeten Frequenzbereichen (und daraus resultierender Anfälligkeit für störende Interferenzen) sowie ihren Paketgrößen (also der Anzahl der gesendeten Nachrichten und/oder Bytes) bis hin zur Batterielebensdauer ihres Sensors und seiner Antenne.

Allen gemein ist, dass sie sich am besten für Anwendungen eignen, die sich mit sporadischen, nicht besonders großen Uplink-Nachrichten begnügen – wie etwa dem Notfall- oder Warnsignal für eine darüber leicht zu lokalisierende Netzunterbrechung. Allerdings ermöglichen die meisten LPWAN-Technologien auch Downlink-Optionen, was das Senden eines (Gegen-)Signals ermöglichen würde.

Der Vorteil der LPWAN? Im Vergleich mit herkömmlichen, mobilen Netzwerken sind die Betriebskosten geringer und zugleich die Energieeffizienz besser – bei gleichzeitiger hoher Empfangsempfindlichkeit und großer Reichweite (zwischen zwei und bis zu 1.000 Kilometern, aber dies wohl nur unter Laborbedingungen).  Am wichtigsten jedoch ist: Dank der kleinen Datenpakete können die Notfall-Signale oft noch vor dem stromausfallbedingten Zusammenbruch der nächstgelegenen Funkzelle abgeschickt werden – oder das NB-IoT-Gerät verbindet sich mit einem weiter entfernten Sendemasten, der noch „stromversorgt“ ist.

Große Reichweite, niedrige Kosten

Alles Punkte, die aber gerade für die Fernüberwachung vieler Netzbetreiber enorm wichtig sind: Zum einen, weil ihre Netzgebiete so großflächig abdeckbar sind, zum anderen weil die Leistungsfähigkeit der Sensor-Batterien/-Akkus einen Austausch derselben erst nach mehreren Jahren wieder nötig macht. Und sie eben unabhängig von den „normalen“ Strom- und Kommunikationsnetzen funktionieren. Weswegen ein LPWAN das entscheidende Kurzschlussanzeiger-Signal im Fall der Fälle auch nach sehr langen Zeiträumen noch „aus der Ferne“ sicher an die entsprechende Verbundleitstelle senden kann – und langfristig aufwendige Suchprozesse vermieden werden. Da Netzausfälle immer Zeit und Geld kosten gilt: Je weniger (und kürzer) sie werden, umso besser.

Denn trotz regelmäßiger Leitungskontrollen: Die Versorgungsinfrastruktur aller Stromnetze und egal welchen Betreibers ist naturgemäß Verwitterung, mechanischer Abnutzung oder thermischem Verfall ausgesetzt. Deswegen wie aufgrund äußerer Ad-hoc-Einflüsse kann es daher trotz kontinuierlicher Wartung durch die Betreiber immer wieder zu Kurzschlüssen und damit Stromausfällen im Versorgungsnetz kommen.

Im Hinblick auf den Ausbau der Erneuerbaren Energien ergibt sich durch die Fernüberwachung noch ein Nebeneffekt: Die Betreiber können im Fall des Ausfalls dann auch besser mit dezentralen und volatilen Stromquellen wie Solar- oder Windkraftanlagen umgehen. Drücken diese nämlich zum Fehlerzeitpunkt gerade viel Strom ins betroffene (Verteil-)Netzgebiet, kann die Leitstelle auch diesbezüglich schneller reagieren und nachregeln, damit es zu keiner „netzschädlichen“ Kettenreaktion kommt. Denn sind mehrere Ortsnetzstationen plötzlich kurzgeschlossen, wird es auch trotz Fernüberwachung und -schaltung schwierig, die Ausfallzeiten niedrig zu halten. Trotz aller „Intelligenz im Netz“, die manchmal sogar nur aus einem scheinbar simplen Notsignal besteht.

Bei ED Netze läuft derzeit eine mehrmonatige Testphase in Sachen Fernwartung auf Basis der Mobilfunktechnologie NB-IoT: Kurzschlussanzeiger an ausgewählten Standorten wurden dafür mit mobilen Testgeräten verbunden. (Foto: ED Netze)
Bei ED Netze läuft derzeit eine mehrmonatige Testphase in Sachen Fernwartung auf Basis der Mobilfunktechnologie NB-IoT: Kurzschlussanzeiger an ausgewählten Standorten wurden dafür mit mobilen Testgeräten verbunden. (Fotos: ED Netze)

Eine „funkende“ Testphase

ED Netze will die Fernüberwachung seiner Kurzschlussanzeiger deutlich ausbauen. Der südbadische Netzbetreiber hat sich entschieden, dafür die Mobilfunktechnologie NB-IoT (kurz für Narrowband Internet of Things) zu testen. Dabei nutzt sie für die Datenübertragung das bestehende Kommunikationsnetz der Deutschen Telekom. Das mehrmonatige Proof of Concept startete im Juni 2021, Ende des Jahres werden die Tests ausgewertet. Das Ziel? Eine zukunftsfähige Fernüberwachung für alle rund 4.000 Ortsnetzstationen im Mittelspannungsnetz des südbadischen Netzbetreibers zu installieren.

Dazu Franziska Heidecke, Leiterin „Digitalisierung und Innovation“ bei ED Netze: „Rund 2.500 unserer dortigen Kurzschlussanzeiger sind derzeit noch überhaupt nicht in unser Fernüberwachungskonzept eingebunden. Etwa 1.000 Stück könnten in Zusammenarbeit mit der Deutschen Telekom über NB-IoT angebunden werden. Dafür wurden ausgewählte Standorte mit mobilen Testgeräten ausgestattet, um die Hardware in Kombination mit der Cloud und den lokalen physikalischen Empfangseigenschaften ausgiebig zu testen.“

Die Fragenstellungen waren vielfältig, fährt sie fort: „Wir wollen wissen, ob NB-IoT effektiver, kostengünstiger und energiesparender als die konventionellen Mobilfunkstandards ist – und für die Nachrüstung der bislang noch nicht direkt mit unserer Verbundleitstelle vernetzen Kurzschlussanzeiger und unser Versorgungsgebiet die beste Option ist. Wie schnell lassen sich die bislang nicht ‚fernmeldenden‘ Kurzschlussanzeiger bei laufendem Betrieb nachrüsten? Und können wir zwei Systeme solange parallel nutzen, bis unsere ‚alte‘ Fernüberwachung ersetzt werden muss und schrittweise gegen die neuen Sensoren und Sender ausgetauscht werden könnte? Schließlich soll auch der Übergang so ökonomisch und ökologisch wie möglich gestaltet werden.“

Die Energieeffizienz ist zumindest perspektivisch schon klar: Die verwendeten NB-IoT-Geräte von Exelonix mit ihrer integrierten Antenne – samt der SIM-Karten für das entsprechende Netz der Deutschen Telekom – sind mit Batterien für vier Jahre ausgestattet. Eine Entscheidung soll nach dem Proof of Concept fallen, der etwaige Roll-out dann zeitnah, idealerweise 2022 starten.

Bereits seit 2017 bietet die Deutsche Telekom das von ED Netze nun favorisierte, auf IoT spezialisierte Schmalband-Netz in ganz Deutschland und acht weiteren europäischen Ländern sowie den USA an. Ihr NB-IoT ist eine flächendeckend verfügbare schmalbandige Funktechnik mit einer Übertragungsbandbreite von 180 Kilohertz, die das lizensierte Frequenzspektrum nutzt. Seine Datenrate ist begrenzt und liegt bei maximal 250 Kilobit pro Sekunde. Die Technologie basiert auf Standards des weltweiten Normierungsgremium 3rd Generation Partnership Project (3GPP), an der inzwischen auch die Deutsche Telekom beteiligt ist.

Die Technik ist für die Übertragung kleiner Datenpakete, nicht aber für Sprache oder SMS konzipiert – und damit ideal für kurze Notfall- und Warnsignale, wie sie in diesem Fall benötigt werden.


Über die Autorin: Sonja Sahmer

Sonja Sahmer
Sonja Sahmer

Nach „festangestellten“ Jahren in der Presse- und Öffentlichkeitarbeit machte sich Sonja Sahmer 2010 mit Texterlei  als Journalistin, Autorin und Lektorin selbstständig. Neben Magazin-Beiträgen sowie Corporate-Publishing-Projekten textet sie auch für Unternehmenswebsites und -blogs. Mit einer „Schreibe“, die aus Begeisterung entsteht und Lesefreude verspricht. Und von Wissensdurst und Recherchelust zeugt.

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