Maria Aigner

Fault loop impedance determination in low-voltage distribution systems with non-linear sources

An increased penetration of distributed energy sources for example photovoltaics (PV) leads to new challenges regarding supply of buildings. Besides the common used supply by the public distribution network (large scale generators, transformers) the islanded supply of buildings becomes feasible. Apart from the advantage of a multivalent up to a fully independent power supply in low-voltage distribution systems, questions regarding the functionality of commonly used overcurrent protection devices occur, because of a low short circuit power of the distributed power generators and a too high loop impedance, which is load and time depending. Furthermore the established measurement procedure of the fault loop impedance has to be verified for application in islanded networks with non-linear sources (e.g. inverters).

Sicherheits- und schutzrelevante Aspekte im Parallel- bzw. Inselbetrieb im Niederspannungsnetz

SummaryThe requested objective by the European Union for 2020 to increase the overall share of renewable energies by 20% requires beside energy relevant measures, a rebuilding or reorganization of the distribution grids. Small and medium power generation units have to be integrated on central and distributed places in the low voltage grid. Due to the expected trend, from passive low-voltage systems with a dominant power flow from large producers to the consumers, to an active grid with small sources where the load flow can be reversed or when from time to time a small power flow from the upstream grid appears, questions in terms of functionality of the grid protection, personal safety, selectivity, grid control and grid automation in parallel grid operation and in terms of islanded grid operation occur. Due to the development of smart grid technologies (especially information and communication technology, ICT) according to the usual grid parallel operation the building of islanded grids known as micro grids and, thus, an autonomous power supply with electrical energy is possible. However, security and safety considerations for people and installations must be carried out in particular for non-rotating, decentralized generation units with low short-circuit power. In particular, the delivery of the required short circuit capacity from storage units in relation to the fluctuating generation of renewable energy sources such as photovoltaic and wind requires detailed investigations. The existing protection measures in the medium or low voltage grids must be revised and tested for the warranty of personal safety and protection of electrical installations.ZusammenfassungDie von der Europäischen Union geforderte Zielsetzung, bis 2020 den Gesamtanteil erneuerbarer Energien um 20 % zu steigern, erfordert neben vielen neuen Maßnahmen auch eine Um- bzw. Neustrukturierung in der Verteilnetzebene. Kleine und mittlere Stromerzeugungseinheiten sollen zentral und dezentral in das Niederspannungsnetz eingebunden werden. Durch die zu erwartende Entwicklung weg von den passiven Niederspannungsnetzen, mit einem dominanten Lastfluss von großen Erzeugern direkt zu den Verbrauchern, hin zu einem aktiven Netz mit vielen auch kleinen Einspeisern, in dem der Lastfluss auch umgekehrt werden kann oder nur von Zeit zu Zeit ein geringer Energiefluss vom übergeordneten Netz auftritt, treten vermehrt neue Fragestellungen hinsichtlich der Funktionalität des Netz- und Personenschutzes, der Selektivität, der Netzregelung sowie der Netzautomatisierung im Netzparallel- und im Inselnetzbetrieb auf. Durch die Entwicklung von Smart-Grid-Technologien (insbesondere der Informations- und Kommunikationstechnologie, IKT) soll neben dem bereits üblichen Netzparallelbetrieb auch die Bildung von Netzinseln, so genannten Micro Grids, und somit eine autarke Versorgung mit elektrischer Energie möglich werden. Dabei müssen jedoch Aspekte der Personen- und Anlagensicherheit, insbesondere bei Einspeisung über nicht rotierende dezentrale Stromquellen mit geringer Kurzschlussleistung, berücksichtigt werden. Die Bereitstellung der benötigten Kurzschlussleistung im Zusammenhang mit der fluktuierenden Erzeugung aus erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik und Wind bedarf noch detaillierterer Untersuchungen. Die in der Mittel- bzw. der Niederspannung bestehenden Schutzkonzepte müssen überdacht und hinsichtlich der Gewährleistung der Personen- und Anlagensicherheit überprüft werden.

Personensicherheit in autonomen Niederspannungsinseln

SummaryIn public low-voltage grids, the protection of the general public is ensured by the safety measure TN system. In order to ensure sufficient operating current for the protection devices a sufficient low-ohmic closed loop in the zero sequence system must be provided in addition to a current source with adequate short circuit current capability. If the formation of autonomous low-voltage islands is intended, the tripping condition in the TN system must be guaranteed even under varying grid extensions. Normally, in ring main units the medium to low voltage transformer supplies both a low-ohmic zero sequence return path and the required current carrying capability. If such a transformer is not available, the tripping condition can be met by the combination of a grounding transformer in connection with a specially designed short current source.ZusammenfassungIn öffentlichen Niederspannungsnetzen wird der Personenschutz durch die Schutzmaßnahme Nullung sichergestellt. Für einen ausreichenden Abschaltstrom muss ein niederohmiger und geschlossener Pfad im Nullsystem (Sternpunktbildung, durchgängiger PEN-Leiter) und eine ausreichende Fähigkeit der Einspeiser zur Kurzschlussstrom-Lieferung gegeben sein. Da man bei der gewollten Bildung von autonomen Niederspannungsinseln die Einhaltung der Abschaltbedingung trotz variabler Netzverhältnisse sicherstellen muss und der Ortsnetz-Transformator dafür nicht zur Verfügung steht, kann man durch die Kombination eines an geeigneten Stellen eingebauten Sternpunktbildners und einer entsprechenden für diesen Zweck vorgehaltenen Stromquelle diese Bedingung erfüllen.

The compliant integration of (renewable) power sources in MV or LV grids and the impact on grid reliability

The integration of renewable energy sources in medium and low voltage grids is a not to be underestimated challenge for operators and planners both of the plants as well as of the grid operators. Questions concerning the compliance with the acceptable voltage limits, transmission capacity, active and reactive power balance, grid stability, economic efficiency and environmental benefits have to be answered. In addition, the use of additional equipment suggests that the reliability of the system could decrease. In this paper, on the one hand, an effective method to forecast voltage fluctuations caused by decentralized generation units in suburban distribution grids is presented based on a quick graphic determination method and is compared to exact load flow simulation results. On the other hand the load flow model is used to calculate the influence of the integration of the decentralized power generation units and grid restructuring measures on the system reliability. By way of an exemplarily medium and low voltage grid, these questions are answered.

Maßnahmen im aktiven Verteilernetz bei Verlust des Kurzschlussstroms

ZusammenfassungAusreichend hohe Kurzschlussströme sind Voraussetzungen für die ordnungsgemäße Funktion von Schutzgeräten und den sicheren und zuverlässigen Betrieb elektrischer Verteilernetze. Sowohl im Netz- als auch im Insel-Netzbetrieb müssen bei Einsatz dezentraler Stromerzeugungsanlagen im Fehlerfall genügend hohe Kurzschlussströme fließen, um die Selektivität und Schnelligkeit von Schutzeinrichtungen zu gewährleisten. Im Insel-Netzbetrieb kann es bei Verlust des durch das Netz zur Verfügung gestellten Kurzschlussstroms dazu kommen, dass kein ausreichend hoher Strom zur Anregung des Schutzes fließt. Um dieses Problem zu lösen, wird im Folgenden das Konzept eines unterspannungsgesteuerten Überstrom-Zeitstaffelschutz-Systems in Kombination mit einer Ortungs-Hilfsstromquelle präsentiert.AbstractSufficiently high short circuit currents are required for correct functionality of protection devices and for a safe and reliable operation of electrical distribution networks. Both in network and in islanded operation with distributed generation units in fault situations sufficiently high fault currents are necessary to maintain selectivity and speed of protection devices. In islanded operation in case of loss of external fed short circuit currents it can be possible, that a not sufficiently high fault current to initiate the protection device occurs. To solve this problem, an undervoltage controlled overcurrent protection in combination with an auxiliary current source is presented.

Influences on safety issues for inverter supplied grid structures

In the field of low voltage systems protection devices like fuses and residual current devices (RCDs) are generally implemented. Because of their high sensitivity residual current devices are very commonly used for protection against electric shock. A part for the fact that inverters may produce voltages with considerable harmonic content also RCDs deserves special attentions. Due to the increasing number of electrical equipment in the low voltage grid producing disturbing currents different RCD types (type AC, A and B) are investigated under certain conditions. For example the influence of disturbing non-sinusoidal, pulse-shaped currents or harmonics in the fault current regarding on the tripping current or on the tripping time of the RCD is analyzed.

Innovative Elektrizitätsversorgungssysteme für IKT

SummaryModern society all over the world depends on information and communication technology (ICT); and security of supply with ICT is an important location factor. In times of increasing anonymity, which makes us more and more dependent on public services such as emergency supports (emergency organizations), communication is existential. Communication also plays an important role for a good functioning of economy and industry, in the course of shorter production and storage times. The usage of ICT is taken for granted. However, the modern societys use of ICT is profoundly dependent on the public power supply. Particularly in highly industrialized countries like e.g. Austria, the ICT sector requires about 10% of the total electric energy demand. One third of these 10% is estimated to be used for telephony and transmission. (Frauenhofer-IZM & ISI, 2009). Although there have not been any significant and large scale supply interruptions (blackouts) in Austria in recent years, grid safety experts cannot exclude a pan-European blackout in future. Such an incident would have serious effects on the function of ICT, and thus, on the commercial, industrial and personal life, and is therefore a threat to our civilization. The outage of ICT as a critical infrastructure consequently constitutes a danger to the public. The electrical power demand of ICT now takes very high values and will keep rising. For this reason, a sustainable and reliable power supply concept is of paramount importance. Here, batteries still play an important role, for example in the form of an uninterrupted power supply (UPS). However, these are usually not very efficient and by increasing capacity maintenance-intensive and costly. The implementation of the smart grid technology in the public power grid opens up alternative and high-performance possibilities that can be integrated relatively easily into existing grid structures, exemplarily the combination of the functionality of smart meters and distributed generation units is called smart grids. These generation units might be non-volatile renewable energy sources such as combined heat and power (CHP) and small hydro power plants, however, for reasons of practicability there could also be used conventional gensets.ZusammenfassungWeltweit ist unsere moderne Industriegesellschaft von Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) abhängig geworden, und die Versorgungssicherheit mit IKT wurde zu einem wichtigen Standortfaktor. Kommunikation ist in Zeiten immer größer werdender Anonymität und der dadurch gegebenen Abhängigkeit von öffentlichen Einrichtungen und Diensten, etwa von Notrufträgern (Blaulichtorganisationen), von besonderer Wichtigkeit. Ebenso spielt Kommunikation durch immer kürzer werdende Produktions- und Lagerhaltungszeiten für das reibungslose Funktionieren von Wirtschaft und Industrie eine überragende Rolle. In dem zur Selbstverständlichkeit gewordenen Einsatz von IKT ist jedoch eine hochgradige Abhängigkeit der modernen Gesellschaft von der öffentlichen Stromversorgung begründet. In hoch industrialisierten Ländern wie Österreich beträgt der Strombedarf des IKT-Sektors 10 % des elektrischen Energiebedarfs. Von diesen 10 % ist wiederum ca. ein Drittel für Telefonie und Übertragungstechnik zu veranschlagen (Fraunhofer-IZM & ISI, 2009). Wenngleich es in Österreich in den letzten Jahren zu keinen nennenswerten großflächigen Unterbrechungen (Blackouts) der Stromversorgung gekommen ist, sind nach Meinung von Netzsicherheitsexperten europaweite Blackouts durchaus in Erwägung zu ziehen. Solche Ereignisse hätten gravierende Auswirkungen auf das Funktionieren von IKT und auf gewerbliches und industrielles, privates und öffentliches Leben. Der Ausfall von IKT als kritische Infrastruktur stellt somit eine Bedrohung der Zivilisation dar. Da der Leistungsbedarf für IKT schon heute sehr hohe Werte annimmt und voraussichtlich weiter steigen wird, ist ein nachhaltiges und verlässliches Ersatzstromversorgungskonzept von höchster Bedeutung. Hier nehmen nach wie vor Batterien, zum Beispiel in Form einer unabhängigen Stromversorgung (USV), eine wichtige Rolle ein. Jedoch sind diese meist nicht sehr effizient und mit steigender Leistung auch wartungsintensiv und kostspielig. Im Zuge der Einführung von Smart Grid-Technologien eröffnen sich hier alternative und hoch leistungsfähige Möglichkeiten, die relativ einfach in die bestehenden Netzstrukturen integriert werden können. Beispielhaft sei hier die Kombination der Funktionalität von Smart Metern und dezentralen Erzeugungseinheiten in neuen Netzstrukturen – Smart Grids – genannt. Die dafür benötigten Erzeugungseinheiten können in diesem Zusammenhang nicht schwankungsbehaftete erneuerbare Energien wie Blockheizkraftwerke (BHKW) oder Kleinwasserkraftwerke sein; aus Zweckmäßigkeitsgründen kommen auch Dieselgeneratoren in Frage.