Erhebung der System Requirements Specifications für ein System zur Analyse von Fehlern in Niederspannungsnetzen

Abstract

Die elektrische Energieversorgung ist ein fester Bestandteil in unserem Leben. DieTragweite der störungsfreien Energieversorgung wird schnell deutlich, wenn einStromausfall auftritt. Innerhalb weniger Minuten führt das Ausbleiben der Energie zuvereinzelten Einschränkungen im Haushalt bis hin zum Verkehrschaos in der Infrastrukturund im schlimmsten Fall zu großflächigen Stromausfällen.Der Weg des Energietransportes vom Erzeuger zum Verbraucher geschieht in einerklassischen Top-Down Struktur. Das Hochspannungsnetz transportiert zunächst elektrischeLeistung zentraler Erzeuger. Über das Mittel- und Niederspannungsnetz wirddie Leistung schließlich an Industrie und Hausanschlüsse verteilt. Diese klassischeTop-Down-Struktur befindet sich nun im Wandel. Parallel zu den zentralen Großerzeugernspeisen nun immer mehr erneuerbare Energie-Anlagen direkt auf Niederspannungsebenein das Stromnetz ein und belasten zusätzlich, volatil die nicht überwachtenNetzelemenete des Verteilnetzes. Hält dieser Trend weiter an, so könnten sich Netzfehlerauf Niederspannungsebene zukünftig häufen.Die Zeit des Stromausfalls soll so klein wie möglich gehalten werden, um den ökonomischenSchaden von Netzkunden und -betreiber zu begrenzen. Die Ortung des Netzfehlersund der vom Netzfehler betroffenen Region (outage area) nimmt dabei diemeiste Zeit in Anspruch.Ziel der Arbeit ist es, die Anforderungen für ein Gesamtsystem zur Analyse von Fehlernim Niederspannungsnetz, und für dessen Subsysteme/Module ("Hausmessung","Netzmessung", "zentrale Datenverarbeitung" und "Kommunikationsinfrastruktur"),zu spezifizieren. Die Teilaufgaben "Fehlererkennung", "-klassifizierung" und "-ortung",sowie die Bestimmung der Ausfallregion sollen dabei so auf die Module verteiltwerden, dass die Anforderungen an die Kommunikationsinfrastruktur minimiert werden.Dazu wurde unter Zuhilfenahme der Erkenntnisse einschlägiger Literatur und einesSzenarios zunächst ein mögliches Funktionsprinzip entwickelt, um Fehler im Niederspannungsnetzautomatisiert zu analysieren, um somit den Netzwiederaufbau zubeschleunigen und Netzfehlerdaten zu sammeln. Anhand des Funktionsprinzips wurdendie System Requirements abgeleitet und definiert.Die integrierte Methode vereint altbewährte mit modernen Konzepten zur Netzfehleranalyse.Auf Grundlage von Wavelet Transformation von Strom- und Spannungssignalenund Anwenden von Merkmalerkennung können künstlich neurale Netze (KNN)auf die Fehlerart und den Fehlerort schließen. In Kombination mit weiteren, bereits imVerteilnetz verwendeten Methoden kann ein System entstehen, das durch seine unterschiedlichenInformationsquellen zum Fehler akkurate und verlässliche Ergebnisse zurBeschleunigung des Netzwiederaufbaus und zur Netzfehleranalyse liefern kann. Zudiesen Methoden zählen die impedanzbasierte Methode, das Auswerten von Fehlerindikatoren,um den Fehlerpfad zu lokalisieren, Kundenanrufe etc.Nach einem Vergleich der Anforderungen an das System aus den Requirements Specificationsmit den bereits vorhandenen Mitteln, die im Verteilnetz bereits zur Verfügungstehen ist eine Realisierung des entwickelten Systems prinzipiell möglich. DieAnforderungen an die notwenigen Messeinheiten des Systems, hinsichtlich Qualitätund Quantität, können von bereits installierten, elektrischen Einrichtungen des Netzeserfüllt werden. Das Ergebnis der Netzfehleranalyse ist jedoch abhängig von der Qualitätund Quantität der Trainingsdaten, die das KNN dieser Methode benötigt.

The electrical power supply is an essential component of everyday life. Once an outageappears the negative consequences of the disturbed energy supply are perceptiblewithin a very short time. Within only a few minutes without electrical energy constraintswill show up in managing household up to infrastructural chaos and in worstcase it will lead to large-scale outages.The way how electrical energy is transported between producer and consumer showsa clear top-down structure. In first instance high voltage grids transport power of central,electrical producers. Via medium and low voltage grids, the electric power is finallydistributed to industrial consumers and households. The classic top-down-structureis changing. Parallel to central major producers there are also smaller power plantsfeeding renewable energy directly into low voltage level grids and stressing additionaland volatile the unsupervised grid units of distribution grids. If this trend continuesfaults in low voltage grids could accumulate in future.Outage time should be as short as possible to limit economical damage of grid consumersand operators. Locating the grid fault and outage area requires most of the faultclearing process.The goal of this thesis is to specify the requirements for a overall system for faultanalysis in a low-voltage grid and for its subsystems / modules ("Hausmessung","Netzmessung", "zentrale Datenverarbeitung" and "Kommunikationsinfrastruktur").The subtasks „fault detection“, „-classification“ and „-localisation“ as well as the determinationof the outage area should be allocated to the modules for minimizing therequirements for the communication infrastructure. Therefore, knowledge of relevantliterature and a scenario helped to develop a possible operating principle for an automaticanalysis of low voltage grid faults to accelerate the time of grid reconstructionand collecting fault data. On the basis of the operating principle system requirementswere derived and defined.The integrated method combines classical with modern approaches for fault analysis.On the basis of wavelet transformation of current and voltage signals and use of featureextraction, artificial neural networks are able to derive fault type and fault location.11In combination with further methods, already being in use like the impedance basedmethod, the utilization of fault indicator data to find the faulted branch, customer callsetc., a system can be built up that is able to produce accurate and reliable results bymeans of different fault information sources.After a comparison of the system requirements of the system requirements specificationswith the already existing resources of the distribution grid, a realization of thechosen system is basically possible. The systems measurement units requirements,concerning quality and quantity are able to be satisfied by already installed, electricalUnits of the grid. Though the result of the fault analysis is dependent of the quality andquantity of the training data the ANN needs.