Der Nexus® 1500+ ist ein Netzqualitätsanalysator nach IEC 61000-4-30 Klasse A und ein Abrechnungszähler, der zugleich als Phasormesseinheit (PMU) arbeitet: Er sendet Synchrophasoren nach IEEE C37.118 mit bis zu 60 Frames pro Sekunde. Ein einziges Gerät im Umspannwerk erfasst die Energie mit 0,06 % Genauigkeit, zeichnet Netzqualitätsereignisse auf und speist ein Weitbereichs-Überwachungssystem.
Netze mit wachsendem Anteil umrichterbasierter Erzeugung sind schneller und weniger fehlertolerant als die Netze, für die SCADA entwickelt wurde. SCADA fragt Werte alle paar Sekunden ohne gemeinsamen Zeitbezug ab; eine PMU liefert dagegen mehrmals pro Sekunde Betrag und Phasenwinkel von Spannungen und Strömen, bezogen auf dieselbe absolute Zeit im gesamten Netz. Diese Funktion im ohnehin am Netzanschlusspunkt installierten Messgerät unterzubringen, spart eine separate PMU, ihre Verdrahtung und ihren Platz in der Schalttafel.
Zum Gerät: Produktseite des Netzqualitätsanalysators Nexus 1500, mit Katalog und Merkmalen.
Welche Daten die PMU des Nexus 1500+ liefert
Ein Synchrophasor ist ein Zeiger (Betrag und Winkel), geschätzt zu einem bekannten Zeitpunkt der absoluten Zeit. Zeiger von PMUs, die Hunderte Kilometer voneinander entfernt sind, lassen sich so direkt vergleichen. Der Nexus 1500+ überträgt:
| Gruppe | Kanäle | Im Bericht |
|---|---|---|
| Einzelzeiger | VA, VB, VC, IA, IB, IC | Immer |
| Symmetrische Komponenten | V0, V1, V2, I0, I1, I2 (Null-, Mit- und Gegensystem) | Optional |
| Frequenz und ROCOF | Netzfrequenz und ihre Änderungsrate (rate of change of frequency) | Immer (C37.118-Frame) |
| Analogwerte | Grundschwingungs-W, -VA und -VAR (gesamt und je Phase); Verschiebungsleistungsfaktor (gesamt und je Phase) | Optional |
| Digitalwerte | Schnelle Digitaleingänge des Messgeräts (Zustand von Leistungsschaltern und Relais) | Optional |
Werden die symmetrischen Komponenten fertig berechnet gesendet, entfällt diese Arbeit im Phasor-Datenkonzentrator (PDC), und die Digitaleingänge erlauben es, eine Schalthandlung zeitlich mit der von ihr ausgelösten Zeigeränderung abzugleichen.
Zeitsynchronisation und Übertragungsraten
Der Phasenwinkel ist nur aussagekräftig, wenn die Uhr genau ist: Ein Zeitfehler von ±26 µs bei 60 Hz oder ±31 µs bei 50 Hz erzeugt bereits einen Phasenfehler von 0,51° und einen Gesamtvektorfehler (TVE) von 1 %, die Grenze mehrerer Prüfungen der C37.118. Die Norm empfiehlt eine mindestens zehnmal bessere Zeitquelle.
Für den PMU-Betrieb akzeptiert der Nexus 1500+ zwei Zeitquellen:
- IRIG-B: unmodulierter Zeitcode einer GPS-gestützten Uhr, angeschlossen am IRIG-B-Port des Messgeräts. Fällt das GPS-Signal aus, übernimmt die interne Uhr (Quarz mit 3,5 ppm) im selben Augenblick.
- IEEE 1588 PTPv2: Präzisionszeit über das Ethernet-Netz des Umspannwerks, mit dem Messgerät als PTP-Slave und einer priorisierten Liste von Master-Uhren für Redundanz.
SNTP und die Synchronisation über die Netzfrequenz stehen für die Messung weiter zur Verfügung, nicht aber für Synchrophasoren. Die Übertragungsraten richten sich nach der Nennfrequenz:
| Nennfrequenz | Frames pro Sekunde |
|---|---|
| 50 Hz | 10, 25, 50 |
| 60 Hz | 10, 12, 15, 20, 30, 60 |
Die Frequenz wird von 42,5 bis 69,9 Hz gemessen, mit 45–65 Hz als Bereich für die C37.118. Zeiger, Frequenz und Analogwerte lassen sich als Gleitkommazahl oder 16-Bit-Ganzzahl (mit Multiplikator für die Auflösung) senden, Zeiger in Polar- oder kartesischer Form.
Normkonformität: Klasse P und Klasse M
Mit Firmware 20 oder neuer und V-Switch™-Schlüssel 4, 5 oder 6 erfüllt der Nexus 1500+ die IEEE C37.118.1-2011 und ihre Ergänzung C37.118.1a-2014 in beiden Leistungsklassen und kommuniziert nach IEEE C37.118.2-2011. Die Klasse wird in der Konfiguration jeder Anlage gewählt.
| Klasse P (Schutz) | Klasse M (Messung) | |
|---|---|---|
| Filterfenster | 2 Perioden, dreieckförmig | 7 Perioden, mit Bandpass um die Nennfrequenz |
| Verhalten | Schnell: Während der meisten Fehler werden ein oder zwei Zeiger berechnet | Geglättet: mittelt über den Fehler und sieht keine Fehlergrößen |
| Typische Anwendung | Fehlerortung mit Daten von zwei oder drei Leitungsenden, schnelle schutzbezogene Analyse | Weitbereichsüberwachung, Pendelanalyse, Zustandsschätzung |
Der Synchrophasor-Datenstrom nutzt ausschließlich die C37.118.2; der IEC-61850-Server des Messgeräts (V-Switch-Schlüssel 5 und 6) wird für PMU-Daten nicht verwendet.
Kommunikation und Datenübertragung
Die PMU läuft über einen der beiden Ethernet-Ports des Messgeräts (Kupfer oder 100Base-FX-Glasfaser), jeweils einen, nach IEEE C37.118.2. Befehle und Daten sind auf TCP und UDP aufgeteilt, sodass eine abgebrochene TCP-Sitzung den UDP-Datenstrom nicht unterbricht.
Bis zu zwei Clients können gleichzeitig TCP-Befehlssitzungen halten. Die Ports sind konfigurierbar, und die Data Stream ID kennzeichnet das Messgerät gegenüber dem PDC. Bei aktiviertem Auto-Send wird zusätzlich der Konfigurationsframe (Typ 1 oder 2) alle 1–3600 s (Standard 60 s) erneut gesendet; jede Konfigurationsänderung setzt das entsprechende Flag und startet den Datenstrom neu.
Anwendungen
- Weitbereichs-Lagebild: Der Netzbetrieb sieht Spannung, Strom und Frequenz an vielen Punkten auf einer gemeinsamen Zeitbasis, mit einer Dynamik, die SCADA nicht bietet; die Daten lassen sich in das Energiemanagementsystem (EMS) einbinden.
- Frühwarnung vor Instabilität: Ein wachsender Winkelabstand oder ein Generator, der nach dem Auslösen einer Leitung beschleunigt, wird erkannt, bevor sich das Problem ausweitet.
- Erkennung von Pendelungen: Niederfrequente Inter-Area-Pendelungen werden aus dem Zeigerstrom erkannt, geortet und eingeordnet.
- Inselnetzerkennung und Wiederaufbau: Der Vergleich von Phase und Frequenz zeigt, wann eine dezentrale Erzeugungsanlage ein Inselnetz speist, und hilft beim Resynchronisieren nach einem Sturm oder Großausfall.
- Fehlerortung: An den Leitungsenden erfasste Zeiger der Klasse P ermöglichen eine Fehlerortung mit Daten von zwei oder drei Enden.
- Nachträgliche Analyse und Modellvalidierung: Zeitlich abgeglichene Aufzeichnungen erklären Störungen und validieren die Netzmodelle für die langfristige Planung.
- Engpassstellen: erkennen, wo das Übertragungsnetz am nächsten an seinen Grenzen arbeitet, um Engpässe zu entlasten.
Ein Gerät, drei Aufgaben
Die PMU teilt sich die Hardware mit der Messtechnik und der Netzqualitätsauswertung des Geräts. Derselbe Anschluss an Strom- und Spannungswandler dient so der Abrechnung, der Netzqualität und den Synchrophasoren.
| Aufgabe | Kernmerkmal |
|---|---|
| Abrechnungsmessung | 0,06 % Energiegenauigkeit; Selbstkalibrierung Constant Calibration™ alle 10 s |
| Netzqualität | IEC 61000-4-30 Klasse A Ed. 3; Flicker IEC 61000-4-15 und Oberschwingungen IEC 61000-4-7 Klasse A; IEC 62586-2 PQI-A; Transientenerfassung mit 50 MHz; EN-50160-Berichte; bis zu 4 GB Speicher |
| PMU | IEEE C37.118.1-2011/.1a-2014 Klasse P und M; Übertragung nach C37.118.2; IRIG-B oder PTPv2 |
| Kommunikation | Bis zu sechs Ports, darunter zweimal Ethernet (RJ45 oder 100Base-FX-Glasfaser); Modbus, DNP3, IEC 61850 mit GOOSE, SNMP |
| Cybersicherheit | Resilient Cyber Security™: signierte Firmware mit 512 Bit, AES mit 128 Bit für Zugangsdaten, acht konfigurierbare Rollen, physische Plombierschalter |
Für Umspannwerke, KWK-Anlagen und unabhängige Erzeuger bedeutet das einen einzigen Schalttafelausschnitt, eine Verdrahtung und eine Cybersicherheitskonfiguration statt eines Zählers, eines Netzqualitätsanalysators und einer separaten PMU.
So wird die PMU eingerichtet
- Zeitquelle wählen unter General Settings › Time Settings: IRIG-B oder IEEE 1588 PTP (Messgerät als Slave, Liste der Master-Uhren, Rate der Delay-Requests).
- Synchrophasoren aktivieren unter General Settings › Communications › Advanced Settings: PMU der Ethernet-Karte 1 oder 2 zuordnen, Klasse P oder M, Ports, UDP-Zielmodus und Auto-Send wählen.
- Nennfrequenz festlegen, 50 oder 60 Hz, die die verfügbaren Übertragungsraten bestimmt.
- PMU-Parameter einstellen unter Tools › Phasor Measurement Settings: Data Stream ID (1–65534, im System eindeutig), Datentypen, Polar- oder kartesische Form, Framerate, Datengruppen und Kanalnamen.
Die Schritte 1 bis 3 ändern das Geräteprofil und starten das Messgerät neu; Schritt 4 lässt sich im laufenden Betrieb ohne Neustart ändern. Derselbe Bildschirm zeigt den Status von PMU, Zeitsynchronisation und Auto-Send und meldet Fehler wie eine fehlende Zeitquelle. Nach einem Firmware-Update von V15 auf V20 laden Sie in diesem Bildschirm zuerst die Werkseinstellungen, bevor Sie Änderungen vornehmen. Die Konfiguration erfolgt mit der Software CommunicatorPQA® 5.0.68 oder neuer.
Der Nexus 1500+ macht einen Messpunkt ohne zusätzliche Hardware zu einer normgerechten Synchrophasor-Quelle. Wer in einem Umspannwerk oder am Netzanschlusspunkt ohnehin Abrechnungsmessung und Netzqualität der Klasse A benötigt, erhält mit der integrierten PMU Weitbereichs-Transparenz, eine schnellere Störungsanalyse und bessere Netzmodelle zu geringen Mehrkosten.