Stromausfälle können frustrierend, unangenehm und in bestimmten Situationen sogar gefährlich sein. Deshalb hat Northern Powergrid hart daran gearbeitet, kostengünstige Vorfehlererkennungstechniken zu entwickeln und zu testen, die sich entwickelnde Fehler in Niederspannungskreisen vor einem Stromausfall lokalisieren können. In Zusammenarbeit mit der Muttergesellschaft von VisNet, EA Technology, hat das Projekt erfolgreich diese Technologie an verschiedenen Arten von Niederspannungsnetzen und Kabeltypen getestet. Mit den wertvollen Daten, die gesammelt wurden, ist das Endziel, einen Prozess zu schaffen, der vorhersagen kann, wann Fehler auftreten werden und priorisiert, wie man proaktiv damit umgehen kann. Diese aufregende Entwicklung hat das Potenzial, die Zuverlässigkeit und Sicherheit von elektrischen Netzen zu verbessern und letztendlich Kunden und Gemeinschaften überall zu nutzen.
Voraussicht – Sichtbarkeit des Niederspannungsnetzes und Fehlererkennung
Das Voraussicht-Projekt skizziert einen neuen Ansatz für das Management von Niederspannungsfehlern unter Verwendung innovativer, bahnbrechender kostengünstiger Technologie, die nicht nur heranreifende Fehler erkennen, sondern auch erfolgreich lokalisieren kann, bevor ein Stromausfall eintritt. Es wird auch eine Angabe darüber geben, ob der Fehler unmittelbar bevorsteht oder nicht, so dass Betriebsressourcen auf die effektivste Weise eingesetzt werden können. Dieser Ansatz wird einen völligen Paradigmenwechsel in der Betriebskultur innerhalb von Stromverteilungsunternehmen erfordern, um wirksam zu sein, und die Vermeidung dieser Fehler würde bedeutende Qualitätsvorteile bei der Stromversorgung liefern.
Stromregulierungsbehörden konzentrieren sich weiterhin auf eine erhöhte Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von Netzen. Viele Stromnetzbetreiber haben die Leistung von Hochspannungsnetzen verbessert und folglich resultiert jetzt ein bedeutender Anteil der Kundenunterbrechungen und Kundenminutenverluste aus Niederspannungsfehlern. Zusätzlich werden zunehmend kohlenstoffarme Technologien wie Elektrofahrzeuge, Wärmepumpen und dezentrale Energieerzeugung an das Niederspannungsnetz angeschlossen, was die Leistungsflüsse, Spannungsprofile und die Belastung des Netzes verändert.
Aufgrund eines alternden Netzes, von dem ein Großteil über 50 Jahre alt ist, wird das Management von Niederspannungsfehlern zunehmend schwieriger. Die Wiederherstellungszeiten können lang sein, da der größte Teil des Niederspannungsnetzes weder umfassend überwacht noch automatisch gesteuert wird. Reaktionen auf Fehler neigen dazu, reaktiv zu sein, da der Zustand der Niederspannungskabelsysteme zu jedem Zeitpunkt unbekannt ist und es keine Möglichkeit gibt, den Zeitpunkt und Ort von Fehlern vor dem Ereignis vorherzusagen.
Das Voraussicht-Projekt beinhaltet die Verwendung einer Reihe von Überwachungsgeräten für Niederspannungsnetze in Kombination mit automatischen Schaltgeräten. Das Ziel des Projekts ist es, Niederspannungs-Vorfehlersignale zu erkennen und dann kostengünstige Überwachungsgeräte zu verwenden, um sich entwickelnde Fehler zu identifizieren und zu lokalisieren, bevor Versorgungsausfälle auftreten. Dies ermöglicht den proaktiven Einsatz von Wiedereinschalteinrichtungen und proaktive Kabelreparatur vor dem Fehler. Geplante Eingriffe anstelle von Reparaturen nach dem Fehler an Kabeln bringen sowohl finanzielle als auch Kundendienstvorteile.
Stromregulierungsbehörden konzentrieren sich weiterhin auf die erhöhte Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von Netzen. Viele Stromnetzbetreiber haben die Leistung von Hochspannungsnetzen verbessert, und folglich resultiert nun ein bedeutender Anteil der Kundenunterbrechungen und der verlorenen Kundenminuten aus Niederspannungsfehlern.
Northern Powergrid hat mit EA Technology zusammengearbeitet, um neue, kostengünstige Vorfehlererkennungs- und -ortungstechniken zu entwickeln und zu testen. Diese Techniken haben sich als erfolgreich erwiesen, um sich entwickelnde Fehler in Niederspannungskreisen vor einem Versorgungsausfall zu erkennen und zu lokalisieren. Das Projekt hat diese Technologie an verschiedenen Arten von Niederspannungsnetzen und Kabeltypen genutzt, und die gesammelten Daten werden verwendet, um einen Prozess zu entwickeln, der darauf abzielt, vorherzusagen, wann Fehler auftreten werden, und eine Priorisierung in Bezug auf das proaktive Umgang mit Fehlern vor einem Versorgungsausfall zu bieten.
Bereits im Jahr 1974, als EA Technology das Forschungszentrum für Elektrizitätsverteilung war, wurde mit der Erkennung von „vorübergehenden Fehlern“ im Niederspannungsnetz begonnen. Eines der kooperierenden Stromunternehmen war Yorkshire Electricity. Diese Ereignisse wurden als Dips oder Kerben in den Spannungswellenformen beobachtet, die damals von teuren Geräten in Umspannwerken gemessen wurden. Sie wurden auf die Verschlechterung der Kabelisolierung an einem bestimmten Ort zurückgeführt, die sich nach einem kurzen Stromfluss selbst heilte, bevor Sicherungen durchbrannten und daher bevor Kunden Versorgungsausfälle hatten. Im Jahr 2017 arbeiteten dieselben Unternehmen, jetzt EA Technology und Northern Powergrid genannt, erneut zusammen, um diese Phänomene weiter zu erforschen.
Zu Beginn des Voraussicht-Projekts im Jahr 2017 fragte sich das Projektteam, ob diese Ereignisse (nun als Vorfehlerereignisse bezeichnet) verwendet werden könnten, um eine völlig neue Art des Managements von Niederspannungs-Untergrundkabelfehlern zu ermöglichen. Am Ende des Projekts im Jahr 2021 entdeckten wir, dass sie es konnten. Der abschließende Bericht des Voraussicht-Projekts beschreibt die Reise zwischen diesen beiden Daten und präsentiert die Ausrüstung, Systeme und Methoden, die verwendet wurden, um von reaktivem Fehlermanagement zu einem Management auf Basis proaktiver Maßnahmen überzugehen.
Dies kommt zu einer kritischen Zeit in Großbritannien und anderswo auf der Welt. Während Stromnetze als kritischer Verbündeter im Übergang zu null Kohlenstoff und der Abkehr von fossilen Brennstoffen betrachtet werden, altern sie auch, die meisten sind über 50 Jahre alt. Die zunehmende Wahrscheinlichkeit von Fehlern bei gleichzeitig erhöhter Abhängigkeit von Kunden ist eine unerwünschte Kombination und erfordert einen grundlegenden Wandel in der Art und Weise, wie die Netzleistung verwaltet wird.
Das Voraussicht-Projekt hat durch Versuche demonstriert, dass die vorgeschlagene Ausrüstung, das System und die Methoden es ermöglichen, einen Teil der sich entwickelnden Fehler frühzeitig zu erkennen, zu lokalisieren und proaktiv zu mildern, wodurch ungeplante Versorgungsausfälle im Vergleich zu den gegenwärtigen Methoden drastisch reduziert werden. Die vorgestellte proaktive Methode zur Verwaltung von Niederspannungsfehlern verwendet neue kostengünstige/schnell einsetzbare Überwachungsgeräte (Guards), die für einen weit verbreiteten Einsatz konzipiert sind. Signaturen aus den Daten dieser Geräte schaffen einen gemessenen Datensatz zum Kabelzustand. Dieser Datensatz wurde für zwei Zwecke verwendet. Im betrieblichen Zeitrahmen (Monate, Wochen) wird er verwendet, um Schaltkreise zu erkennen, die sich einem Ausfall nähern. Diese werden für proaktive Eingriffe priorisiert, um die Auswirkungen des sich entwickelnden Fehlers zu mildern. Der Versuch beinhaltete den gezielten Einsatz von Fehlermanagementgeräten (Recloser) und neue Techniken, um den Ort des sich entwickelnden Fehlers genau zu bestimmen, mit dem letztendlichen Ziel, diese Fehler zu finden und zu beheben, während sie sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden und bevor sie ausfallen. In Netzwerkinvestitionszeitrahmen (Jahre) wurde derselbe Kabelzustandsdatensatz auch verwendet, um zuvor nicht verfügbare Schaltkreiszustandsdaten bereitzustellen. Diese wurden in ein LV-Kabelvermögensverwaltungsmodell (CNAIM-Modell von EA Technology) integriert, das strategische Einblicke in die Bewegungen der Gesundheitsindizes dieser bedeutenden Vermögensgruppe bietet.
In einer Demonstration der im Bericht beschriebenen proaktiven Managementmethodik wurde ein sich entwickelnder Fehler lokalisiert, Kunden informiert und als geplante Arbeit repariert. Nicht nur wurde die (offensichtlich) beschädigte Komponente aus dem System entfernt, während sie (überraschenderweise) noch in der Lage war, Versorgung zu leisten (siehe Abbildung unten), sondern auch ein scheinbar gesundes angrenzendes Verbindungsstück ähnlicher Art und ähnlichen Alters entfernt und zur forensischen Untersuchung geschickt. Obwohl visuell gesund, zeigte die forensische Untersuchung Anzeichen einer beschleunigten Alterung, die konsistent mit der Erwartung eines Ausfalls innerhalb von 5 Jahren war. Niederspannungskabelnetze, an die die Mehrheit der Kunden angeschlossen ist und auf die sie zunehmend angewiesen sind, werden nicht jünger.
Häufig gestellte Fragen
Bei der Methode zur Lokalisierung von Vorfehlerereignissen, müssen Sensoren am entfernten Ende des Netzes (also Sensoren auf beiden Seiten der Fehlerposition) installiert sein?
Nein, Sensoren/Messungen auf beiden Seiten sind nicht notwendig. Alle Messungen werden von der Umspannstation aus vorgenommen. In jedem Fall sind die meisten unterirdischen Niederspannungsnetze im Vereinigten Königreich verzweigt (d.h., sie haben mehrere Endpunkte), und wenn Ortungsgeräte eingesetzt werden, ist normalerweise nicht bekannt, auf welchem Zweig sich der sich entwickelnde Fehler befindet. Die Messungen, die wir in der Umspannstation durchführen, zielen darauf ab, dies teilweise zu lösen. Wir erfassen Informationen, die es uns ermöglichen, eine Impedanz zum Fehler und eine Entfernung zum Fehler zu bestimmen. In verzweigten Netzen mit verschiedenen Kabeltypen in verschiedenen Abschnitten können diese als ‚Koordinaten‘ dienen, die oft einen Zweig gegenüber einem anderen als wahrscheinlichen Fehlerort priorisieren.
Wie viele Umspannstationen hat das Projekt überwacht?
Um ein besseres Verständnis der Aktivitätsniveaus pro Schaltkreis zu erhalten, haben wir beschlossen, in viel größerem Maßstab einzusetzen. Mit über 1800 Messgeräten und fast 1000 verschiedenen Umspannstationen hatten wir die Möglichkeit, wertvolle Erfahrungen bei der Installation von Geräten in verschiedenen Netzwerktypen zu sammeln. Dieser Ansatz gab uns nicht nur die Einsicht, die wir brauchten, sondern ermöglichte es uns auch, unsere Fähigkeiten und unser Wissen in einer praktischen Umgebung zu entwickeln. Es ist wichtig, verschiedene Wege zu erkunden, wenn man mit einer Herausforderung konfrontiert wird, und dieser weitreichende Einsatz erwies sich als effektive Lösung für unser Projekt.
Haben Sie es geschafft, die Effizienz der Methode zu messen, z.B. Reparaturzeiten?
Nein, das war kein expliziter Teil des Voraussicht-Projekts. Im Projekt wurde die proaktive Fehlermanagementmethode und die unterstützende Ausrüstung entwickelt, erprobt und verfeinert. Einer der nächsten notwendigen Schritte wird sein, die Effizienzeinsparungen zu beobachten, die wir erwarten, dass sie im ‚Business as usual‘-Einsatz der Methode anfallen werden. Nach bestehenden Fehlermanagementpraktiken wird die Fehlerortung und -reparatur erst vorgenommen, wenn der Fehler permanent wird, zu diesem Zeitpunkt können traditionelle Ortungsmethoden verwendet werden. Ein permanenter Fehler ist einer, bei dem der Schaltkreis nicht mehr durch den Austausch einer Sicherung oder das Zurücksetzen/erneute Schließen eines anderen Schutzgeräts wieder in Betrieb genommen werden kann. Fehler können zu jeder Tages- und Nachtzeit an jedem Tag des Jahres permanent werden, unabhängig davon, ob genügend Personal verfügbar ist, um reaktiv zu reagieren. Mit der proaktiven Methode gibt es selbst dann, wenn der Fehler permanent wird, einen Vorteil, da der wahrscheinliche Ort bereits identifiziert wurde. Effizienzen in diesem Bereich würden in Stunden pro Fehler gemessen, nicht in Tagen. Es gibt jedoch Tausende von Niederspannungskabelfehlern pro Jahr, auf die diese Effizienzen angewendet werden könnten.
Ist geplant, diese Methode jetzt, da sie sich als funktionierend erwiesen hat, weiter zu verbreiten?
Ja, das ist geplant. Northern Powergrid war maßgeblich an der Entwicklung einer innovativen Fehlermanagementmethodik beteiligt, die die Art und Weise, wie wir diesen kritischen Aspekt unserer Operationen angehen, revolutionieren wird. Mit ihrer Erfahrung aus erster Hand in der Arbeit mit diesem Ansatz sind sie genauso begeistert von dessen Potenzial wie wir. Sie haben erhebliche Vorteile für ihre Kunden sowie für verbesserte betriebliche Effizienzen festgestellt. Dieser Ansatz hat bereits das Interesse anderer britischer Netzbetreiber geweckt, die daran interessiert sind, ihn in ihre eigenen Operationen zu integrieren. Angesichts des positiven Feedbacks ist klar, dass dieser neue Ansatz einen echten Einfluss auf die Branche haben wird.
Gibt es spezielle Anforderungen für die Umspannstationen, die Sie verwenden möchten, um diese Methode einzusetzen?
Nein, nicht wirklich, obwohl einige Umspannstationsdesigns einfacher sind als andere. Der Vorfehlerdetektor (der Guard) ist ein sehr kleines Gerät, das in Verteilungsschränken eingesetzt werden kann.
Wir haben im Projekt viel Zeit damit verbracht, die minimal erforderliche Sensorik zu bestimmen, um die Informationen zu liefern, die benötigt werden, um die Präsenz sich entwickelnder Fehler in den von Bodenmontierten Umspannstationen gespeisten Niederspannungskreisen und deren Ausfallwahrscheinlichkeit zu bestimmen. Einige Probleme traten bei Designs von vollständig geschlossenen Verteilungsschränken auf, die den Zugang zu den Spannungsanschlüssen einschränken, und auch bei einigen Kabelabschlüssen war etwas cleveres Denken erforderlich, um die erforderliche Messung des Neutralstroms zu erhalten.
Die größten Probleme treten auf, wenn zusätzliche Einsätze von ‚Orten und Verwalten‘-Ausrüstung angezeigt werden. Nicht alle Verteilungsschränke können die Recloser aufnehmen, die die ‚Go-to‘-Geräte sind, um die Impedanz zum Fehler zu beweisen und gleichzeitig die Kundenversorgung zu verwalten, sollten vorübergehende Fehler während der Ortungsphase der Methodik auftreten. Aus diesem Grund haben wir ein separates Gerät (den Vorfehlerlokalisierer) entwickelt, das dieselben Messungen der Entfernung zum Fehler und der Impedanz zum Fehler in Situationen liefert, in denen Recloser nicht die bevorzugte Option sind.
Haben Sie eine Vorstellung von der Präzision der Ortungsmethode?
Die Antwort ist nicht einfach ein prozentualer Wert. Die Methode hat sich als sehr genau erwiesen, ist aber abhängig von drei Faktoren, die nicht alle unter der Kontrolle von EA Technology liegen. Die Genauigkeit der Umspannstationsmessungen, die Annahmen, die im Rahmen der Methode/Algorithmen zu diesen Messungen gemacht wurden und, wichtig, die Genauigkeit der Kabelpläne sowohl geografisch als auch in Bezug auf Kabelvermögensinformationen. Eine genaue Ortung ist daher Teamarbeit. Höherenergetische Vorfehler (manchmal manifestieren sich als vorübergehende Versorgungsausfälle) liefern genauere Ergebnisse als Niedrigenergie-Vorfehlerereignisse, die in den frühen Stadien der Fehlerentwicklung erfasst wurden. Die Umspannstation-Messungen, markierte Pläne und Benachrichtigung identifizieren den Bereich des Fehlers, anstatt einen ‚X markiert den Ort‘-Ort. Die Bestätigung des tatsächlichen Ortes mit normalen Standorttechniken (z.B. Fehlerschnüffeln etc.) ist vor der proaktiven Reparatur sehr nützlich. Diese Methoden sind auch erfolgreicher bei höherenergetischen Ereignissen.
In Anbetracht dessen hat das Voraussicht-Projekt die Entwicklung eines Gehsteig-Niveau-Fehlerdurchgangsanzeigers unternommen, der verwendet werden könnte, um den Durchgang des Vorfehlerstroms zu bestimmen, wenn er von der Umspannstation zum sich entwickelnden Fehler fließt (StreetSense). Dies ist eine sehr aufregende Entwicklung, die wir weiter erproben und, falls sie erfolgreich ist, sicher sein werden, dass sie ein Gamechanger in der Voraussicht Finden-und-Beheben-vor-Fehlermethode sein wird.
